软弱粉砂岩隧道开挖变形特征研究

覃钟钦,杨庭伟,卢超波,姜洪亮

(1.广西壮族自治区公路隧道安全预警工程研究中心,广西 南宁 530007;2.广西道路结构与材料重点实验室,广西 南宁 530007;3.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007;4.高等级公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心,广西 南宁 530007)

0 引言

“十三五”期间,广西公路通车总里程由2015年的11.8×104km提高至2020年的13.16×104km,增幅为11.5%。“十四五”期间,广西着力提升交通运输对外开放水平,建成基本综合立体交通网,公路预期增幅为6.4%。在这庞大的交通里程中,公路隧道占比非常大。

开挖后初期变形量值大、速度快是软弱围岩隧道开挖变形的显著特征[1-3]。如东西山隧道发生主支护大变形,衬砌开裂剥落[4];乌鞘岭隧道由于围岩大变形,围岩坍塌[5]等。围岩大变形易造成严重的人身安全和社会经济损失,准确预测和研究软岩变形特征规律对指导隧道安全施工、减少人员伤亡具有重要意义。

本文以粉砂岩隧道的Ⅴ级浅埋围岩段作为研究对象,通过现场监控量测数据结合数值分析,对开挖后的围岩在空间上的影响范围进行研究,得到软弱粉砂岩隧道开挖后对隧道周边围岩的影响范围及围岩变形特性,以优化现场施工、设计及监测方案。

1 隧道开挖变形研究

由于浅埋段软弱粉砂岩具有强风化、易碎、吸水软化等特性,隧道开挖后,开挖及已支护周边围岩易受到施工扰动,产生一定的影响区,大致分为塑性区及弹性区。弹性区对隧道开挖影响较小,认为在该区域内产生的岩体位移是可恢复的;塑性区范围是研究软岩隧道开挖后围岩变形特征的重要影响参数。对于确定围岩塑性区范围的研究已有许多,比较常用的分析手段为小孔扩张理论,小孔扩张理论综合考虑围岩应力、空隙水压及位移变化,可以得到线性或非线性岩体隧道开挖变形的合理解答。

软岩隧道开挖后,由于围岩压力释放是一个过程,围岩变形在开挖范围内呈现一定的分布特性。戴世伟等[6]建立基于N-K模型的致灾因素耦合模型,得到大变形事故致灾因素耦合影响性序列;陶永虎等[7]基于灰色理论对围岩变形进行预测,验证了灰色模型对软岩大变形具有预测精度;韩常领等[8]从应力释放和塑性流变两方面对软岩隧道挤压性大变形的机理进行了分析;于维刚[9]以九绵高速公路白马隧道为背景,从概率统计角度对已有监测预警数据进行统计分析,总结给出建议预警阈值。张标[10]基于Hoek-Brown屈服准则采用FLAC 3D软件建立了三维隧道开挖模型,得到了修正的纵向变形曲线拟合公式,分析了不同岩质条件下开挖区围岩变形特征。本文采用围岩纵向变形曲线(Longitudinal Deformation Profile,以下简称LDP曲线)结合现场监控量测结果综合分析,得到围岩随着隧道开挖掘进时的变形分布规律。

2 围岩纵向变形曲线

LDP曲线综合考虑围岩性质、围岩应力、地质构造等因素,直观体现出隧道开挖过程中开挖面空间特性,反映围岩变形及开挖后围岩应力释放与开挖面之间的关联性。LDP曲线可以更好地描述和预测开挖掘进的影响范围和影响程度。Vlachopoulos提出的二维轴对称分析模型考虑了最大塑性半径对围岩变形的显著影响,对分析围岩变形的空间分布特性具有良好的适用性,其表达式如下[11]:

(1)

(2)

C′=2C/D

(3)

xi=li/D

(4)

Umax——掌子面后方初期支护变形稳定后的最大位移量(mm);

C——塑性区半径(m);

D——隧道开挖洞径(m);

li——距开挖面的距离(m);

xi——离掌子面的距离(m),xi<0即掌子面前方,xi>0为掌子面后方。

3 工程实例分析

3.1 项目概括

百湾隧道位于桂林市龙胜县百湾村的山岭中,地表水裂隙水发育,隧道全长1 355 m,隧道围岩等级多为Ⅳ、Ⅴ级。隧址属构造侵蚀低山丘陵深切割地貌区,隧道穿过低缓丘陵地区,地形起伏大,地面标高367.9～725.5 m,地面相对高差约372.5 m。本文选取Ⅴ级围岩段ZK7+460～ZK7+510为分析断面,其围岩为强风化粉砂岩,薄层状,整体破碎,开挖易掉块、坍塌,开挖方式为预留核心土台阶法。依据室内试验成果结合物探情况及有关规范综合确定围岩特性及物理指标如表1所示。

表1 围岩特性指标表

3.2 监控量测结果分析

3.2.1 监控量测方案

为标定软弱粉砂岩围岩开挖后的最终累计位移量,结合现场工程地质条件,确定的监测方案如下:根据地质条件和工程特点,每10 m量测一个断面,拱顶下沉和净空收敛的测点布置在同一断面上。采用徕卡全站仪TZ08型进行持续监测,测量精度优于0.5 mm。根据现场掌子面开挖的实际情况,围岩变形监测示意图如图1所示。

图1 围岩变形监测示意图

3.2.2 监控量测结果分析

选取监测段五个断面的拱顶沉降情况作为分析重点,监测结果如图2所示。

图2 拱顶沉降监测结果图

由上图可以看出,当围岩趋于稳定时,最大沉降量Umax为32.0 mm,随着隧道开挖掘进的进行,已开挖面的隧道周边位移收敛会受到影响。约为0.5～1倍洞径时,图形斜率最大,开挖所造成的空间效应的影响最大,大于2倍洞径时趋于平缓,在超过2.1倍开挖洞径时开挖的影响趋于零。

3.3 围岩变形特征分析

结合国内、外学者对软岩开挖的塑性区的研究成果,围岩塑性区比例C/D取1.5[12]。LDP曲线计算参数如表1所示。

表1 LDP曲线计算参数表

将计算参数代入式(1)可得围岩纵向变形曲线如图3所示。

图3 围岩开挖特征分析曲线图

速调开挖后,短时间内掌子面围岩会释放一部分位移,由图3可知,开挖面处(xi=0)的位移释放量为8.1 mm,占远处已稳定断面总变形量的25.0%左右。隧道开挖纵向影响范围大致为2.1倍开挖洞径,在未开挖区域的影响范围大致为开挖洞径的2倍。

4 结语

研究表明,粉砂岩地区隧道Ⅴ级不良围岩段开挖后,短时间内围岩会释放掉约25%的位移量;开挖影响范围大致为前后2倍开挖洞径,同时考虑到台阶法的分步开挖会产生扰动,实际的开挖影响半径应大于2倍开挖洞径。本文研究结果对在已有建筑物旁新修隧道或其他大型构造物制定合理的监测方案具有重要的参考意义,同时可为其他岩质隧道开挖变形特征研究提供参考。