风化泥质砂岩地层隧道结构安全性研究

孙立成,何娅兰,徐海岩

(1. 四川蜀道铁路投资集团有限责任公司 成都市 610031; 2. 四川农业大学 土木工程学院 都江堰市 611830;3. 四川农业大学 村镇建设防灾减灾四川省高等学校工程研究中心 都江堰市 611830)

0 引言

随着中国基建的高速发展和国家战略需求,愈来愈多的隧道工程穿越极为复杂的不良地质地层,严重影响隧道施工进度和施工安全,给设备和生命财产安全带来极大的威胁。其中,风化泥质砂岩地层具有亲水矿物含量较高、遇水或长时间暴露易软化、崩解的特征,极易引起隧道结构的坍塌和变形。

目前,国内外学者对于泥质砂岩地层物理力学特性及隧道施工特性已有一定的研究。陈子全等[1]对泥质砂岩的物理力学特性及相关能量损伤机制进行分析,研究结果对于了解泥质砂岩地层的围岩特性具有重要的参考价值。岳喜军[2]对泥质砂岩的应力应变和强度特性进行研究,研究结果表明泥质砂岩遇水软化现象明显并提出相关参数的计算表达式。刘海壮等[3]基于室内试验得到泥质砂岩地层的试样破坏形式,为该地层下隧道开挖和支护相关参数选取提供了一定的依据。池秋慧[4]对强风化泥质砂岩强度及蠕变特性进行研究,结果表明含水量对地层黏聚力影响较大,蠕变效应对泥质砂岩地层的强度有着很大的影响。此外,王峰[5]从盾构的选型、姿态的调整等方面对盾构隧道穿越泥质砂岩地层时的关键技术进行研究。

综上所述,文章基于室内试验、数值模拟以及现场测试,得到不同风化程度下的围岩力学参数,对不同风化程度下的泥质砂岩地层特性及其对隧道施工的影响进行研究,量化不同风化程度下结构的受力和变形值,最后提出富水泥质砂岩地层围岩稳定控制技术,研究结果可为泥质砂岩及类似地层的隧道施工提供借鉴和参考。

1 工程概况

隆黄铁路某隧道工程全长2150.2m,最大埋深243m,隧址区位于低山丘陵区,地势起伏较大,地表植被极发育,多为灌木及竹林。隧址区位于中亚热带温润气候区,雨量充沛,年均降雨量1174mm,年最大降雨量1695.5mm。

隧址区主要为不同风化程度的泥质砂岩,呈紫灰色,砂质结构,层状构造,以粘土矿物为主,具有亲水矿物含量较高、遇水或长时间暴露易软化、崩解的特征,极易引起隧道结构的坍塌和变形。现场泥质砂岩地层如图1所示。隧道施工过程中多次出现失稳现象。

图1 现场施工图

2 计算模型及参数

采用FLAC 3D计算软件对不同风化程度下的隧道结构安全性进行分析。依据圣维南原理,计算模型的四周及下边界取4倍洞径,隧道埋深按实际埋深,采用弹塑性模型和 Mohr-Coulomb 屈服准则。钢架和喷射混凝土在计算模型中采用等效刚度进行计算,初期支护为23cm厚喷射混凝土,钢架间距1m,二衬采用40cm厚C35钢筋混凝土,弹性模量具体计算如式(1)所示,计算模型如图2所示。

图2 计算模型图

(1)

式中:E为喷射混凝土折算后的弹性模量;E0为原喷射混凝土的弹性模量;Sg为钢架的钢筋截面积;Eg为钢架的弹性模量;Sc为喷射混凝土截面积。

隆黄铁路某隧道穿越强风化、中风化、弱风化泥质砂岩地层,遇水条件下极易发生隧道失稳问题。通过《铁路隧道设计规范》、室内抗剪和固结试验(图3)得到不同风化程度下的围岩和支护结构物理力学参数如表1所示。

图3 强度参数测定

表1 泥质砂岩和支护结构物理力学参数表

3 泥质砂岩地层隧道结构安全性

基于泥质砂岩遇水或长时间暴露易软化、崩解的特征,极易引起隧道结构的坍塌和变形,基于室内试验得到的围岩物理力学参数,对不同风化程度下的围岩变形和支护结构受力进行分析。部分数值计算云图如图4所示,数值计算结果如表2所示。计算结果表明,当地层分别为弱风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩以及强风化泥质砂岩时,围岩的拱顶沉降分别为23.1mm、36.8mm以及49.9mm,仰拱隆起分别为23.5mm、39.7mm、45.3mm,水平收敛分别为38.0mm、42.3mm、58.1mm。初期支护最大压应力分别为8.14MPa、10.83MPa、14.26MPa,为支护结构极限承载力的33.6%、44.8%、58.9%,表明不同风化程度下的隧道围岩变形和结构受力差异较大。

图4 数值计算云图

表2 不同风化程度下泥质砂岩地层隧道变形和支护结构受力表

4 富水泥质砂岩地层失稳控制

由于隧址区富水程度较大,施工过程中易产生围岩失稳,进一步出现钢架变形和支护结构开裂问题,采用以下工程措施对富水泥质砂岩地层围岩失稳进行控制。

(1)进行超前深孔和轻型井点真空降水。超前深孔降水每循环进尺3m,掌子面喷射10cm混凝土进行加固。轻型井点降水双排纵向布置,距离初期支护间距1.5m,每排纵向间距0.5m。每隔30m设置集水井,将掌子面及附近水源排出隧道。采用瞬变电磁法对隧道周边围岩富水情况进行探测,如图5所示。

图5 瞬变电磁法预报

(2)对隧道失稳段进行回填加固并进行径向注浆,一方面加固围岩,另一方面起到堵水的作用。初支开裂和拱架变形段进行拆换后及时施作二衬。

(3)恢复掌子面掘进后,采用机械开挖的方式进行掌子面掘进,控制台阶进尺为15m并及时施作二衬,及时施作锚杆和锁脚锚杆。施作超前泄水孔,外插角7°～10°,同时加强仰拱积水抽排,避免围岩长期浸泡软化。遵循快挖快支原则,尽早闭合成环,当收敛沉降值过大时及时采取临时支撑、注浆加固等增强措施。

对现场围岩压力和钢架应力进行监测以判断采取工程措施的有效性和结构安全性,现场监测如图6所示。监测结果表明隧道围岩压力和钢架应力在47d时能够保持不变,处于稳定状态。即现场采取的控制措施能有效保证富水泥质砂岩段的施工稳定。其中隧道左侧边墙内侧的应力最大,右侧拱肩外侧第二大,仰拱外侧最小。围岩压力在隧道仰拱处最大,右侧拱肩最小,结构受力均在规定范围内,处于安全状态。

图6 现场监测图

5 结语

首先通过室内试验和地勘资料得到弱风化、中风化和强风化泥质砂岩的物理力学参数,进一步基于数值模拟对不同风化程度下的结构受力和变形差异进行量化,最后提出富水泥质砂岩的围岩稳定控制技术并通过现场监测验证支护措施的有效性。研究结果表明,不同风化程度下的结构受力和变形均满足控制要求,采取控制措施后,支护结构在第47d基本能保持稳定和安全状态。