倾斜层理岩层中并行地铁隧道围岩施工响应分析*

吴青华

(中铁二十局集团第三工程有限公司, 重庆 400064)

分离式地铁隧道暗挖施工期间相互扰动通常因隧道间距的减小而趋于显著,中夹岩处于围岩松动圈重叠区域内而易发生失稳垮塌。[1-3]平行贯穿于相邻隧道的倾斜层理,在降低隧道围岩完整性和连续性的同时,也显著削弱了层理岩体的强度,并加剧了围岩变形非对称性和应力非连续特征,易因地质偏压、结构面滑移诱发隧道塌方。[4-6]为此,前沿学者多采用模型试验[7-9]、施工监测[10-12]、数值计算[13-15]及理论分析[16-17]方法对特定层理条件下隧道围岩的施工响应问题进行了研究,揭示了围岩失稳破坏特征和应力分布状态。围绕倾斜层理岩体隧道施工响应问题,多数研究仅立足于隧道埋深、断面尺寸、隧道间距、地层岩性等单一影响因素,而众所周知,隧道施工期间围岩变形、应力释放的发生均依赖于地层掘进扰动,而地层稳定性则往往不是单一因素所决定的,须综合考虑主要影响因子及边界条件。另外,研究方法的选择决定了研究结论的可靠性,部分研究考虑到讨论工况数量繁多而仅采用数值计算的方法,在未进行结果合理性验证的前提下其研究结论必定存疑。相比之下,综合采用室内试验、现场监测、数值计算、理论分析等方法对研究结论进行检验和佐证可更有效确保结论的真实可靠。

此外,倾斜层理岩体隧道围岩施工响应的层理几何参数敏感性问题的研究,往往涉及对比工况间倾斜层理几何参数的改变。因此,在研究此类问题时,数值计算方法凭借其方便、快速、直观等特点而备受研究人员的青睐。文献[18-20]利用UDEC离散元软件对不同产状岩质隧道围岩失稳机理进行了分析,并指出倾斜层理面极大削弱了岩体稳定性。袁铁等则采用FLAC3D有限元软件对多层倾斜层理岩体隧道掘进过程进行分析,指出层理岩体的压剪应力与初支塑性破坏区范围均随着地层倾角的增大而增大。[21]刘邦等采用ABAQUS有限元软件对层理岩体隧道双轴压力作用下的损伤破坏规律进行研究,得到与试验吻合良好的应力分布状态以及裂纹尖端的应力强度因子。[22]可见,离散元计算可直观揭示复杂层理岩体的失稳塌落过程,但对于应力场的计算则表现出较低的精确度,而有限元计算则可满足简单层理岩体隧道围岩大变形的计算需求,且在隧道掘进期间围岩应力场计算时表现出较高的精确度,便于研究人员从应力响应角度对层理岩体的失稳及变形过程进行解析。

因此,在确定研究断面上优势层理与隧道轮廓位置关系的前提下,基于岩石室内力学试验参数,将综合考虑砂泥岩复合地层、浅埋隧道断面尺寸、相邻隧道间距作为地层施工稳定性关键影响因子,以地层倾角作为研究变量,采用FLAC3D有限元软件对单一层理控制下分离式隧道围岩的掘进施工响应规律进行分析,通过现场监测数据对计算结果的合理性进行验证,进一步对地层变形及应力场状态的地层倾角敏感性规律进行讨论,为层理地质条件下相邻隧道暗挖施工工艺和地层稳定性控制技术的优化提供参考。

1 工程背景

重庆市南岸区在建轨道交通停车场出入段分离式地铁隧道由轨道10号线兰花路站—南湖站区间段接入,左、右线全长分别为1 426,1 207 m,研究地段地质剖面如图1所示。根据地质勘察资料及掘进揭示地层信息可知:沿线围岩级别以Ⅳ级围岩为主,除浅表覆有回填土外,地层主要分布有砂岩及砂质泥岩,隧道基岩存在多组构造裂隙发育,裂隙面平直,宽度为3～10 mm,偶见泥质充填,裂隙层面胶结性差且贯通性良好,区间层理发育,呈厚层状。地表原始地貌属构造剥蚀浅丘斜坡地貌,地面呈宽缓的沟槽与丘坡相间分布,土-岩结构面及裂隙岩体偶尔出现股状水流。为突出倾斜层理对围岩施工响应的影响,选取停车场出入线区间内倾斜层理岩体控制范围内马蹄形区间隧道作为研究断面(YCK1+050—ZCK1+240),隧道跨度为7.50 m,隧道高为7.33 m,中夹岩厚为7.50 m,隧道埋深为21.50 m。倾斜(30°)砂-泥岩层理面平行于隧道走向,并与右洞轮廓线拱顶相交呈“月牙形”岩块,施工期间极易出现开裂掉块现象。为保证浅埋隧道围岩施工的稳定性,现场主要采用台阶法掘进,并通过地表及掌子面超前小导管注浆对层理岩体进行加固,同时针对破碎岩体加强锚喷支护。

图1 研究地段地质剖面 m

2 数值计算

2.1 模型参数及对比工况

为获取研究断面处砂岩及砂质泥岩的真实物理力学参数,通过RMT-150岩石三轴压力试验系统对掌子面获取的砂岩及砂质泥岩标准圆柱芯样(φ50×100)进行三轴压缩试验,两类岩石均发生了脆性剪切破坏,砂岩抗剪强度及弹性模量明显强于砂质泥岩,而泊松比较砂质泥岩低。对于三轴荷载作用下岩石的弹性阶段,可通过Mohr-Coulomb强度准则确定隧址区原岩(砂岩、砂质泥岩)的黏聚力、内摩擦角等参数(表1)。而对于层理岩体中隧道的数值模型,采用FLAC3D软件进行建模,同时假设层理两侧岩体为均质弹塑性材料,倾斜层理面连续且力学性质一致。岩体非线性破坏阶段选取Hoek-Brown屈服准则进行表征,倾斜层理面选取interface本构,根据地质勘察资料和岩石力学试验结果通过经验算式(1)确定层理面法向刚度Kn及剪切刚度Ks(表2)。

(1a)

表1 隧道围岩数值计算参数

表2 层理面数值计算参数

(1b)

式中:Kn、Ks分别为倾斜层理面的法向、剪切刚度;Er与Gr为倾斜岩体的弹性、剪切模量;Em、Gm为倾斜层理面岩体的弹性、剪切模量,因受到岩体内部层理面的影响而较倾斜岩体的弹性、剪切模量较小,可通过对岩石弹性、变形模量折减近似代替,折减系数取值0.0～1.0,须根据现场岩体内层理面的分布特征确定[23],文中根据地质勘察资料,取值为0.85;s为倾斜层理的间距。

为分析地层倾角对分离式地铁隧道围岩暗挖施工响应规律,针对图1b所示断面倾斜层理与施工隧道的位置关系进行模型简化,仅保留与并行隧道右侧隧道轮廓线拱顶相交的优势层理作为研究对象。采用FLAC3D有限元软件建立层理岩体隧道三维地层模型,如图2所示。模型上表面为自由边界,模型下表面及两侧均对平面法向位移进行约束。模型中分块赋予层理两侧岩体计算力学参数并固定层理面与隧道的相交位置,分别设置地层倾角为15°、30°、45°、60°、75°作为工况间的唯一变量进行独立建模计算(图3)。为突出倾斜层理岩体中隧道围岩施工扰动因素,所有计算模型均按照先右洞后左洞的顺序依次全断面掘进贯通且考虑隧道支护结构。

图2 倾斜层理岩体中相邻隧道数值掘进计算模型 m

a—倾角15°; b—倾角30°; c—倾角45°; d—倾角60°; e—倾角75°。

2.2 层理岩体隧道围岩变形分析

浅埋隧道暗挖施工期间往往伴随有隧道内围岩变形,而受倾斜层理构造和邻近隧道施工扰动的影响,倾斜层理影响下相邻隧道围岩变形施工响应呈非对称分布状态,而该特征的显著性则随地层倾角的增大而先增大后减小,如图4所示。值得注意的是:倾斜层理与右侧隧道拱顶相交造成该位置围岩变形(拱顶沉降)明显大于左侧隧道相同位置围岩的变形,且稳定性较差。因此,层理岩体相邻隧道施工多将与层理面相交隧道作为先行隧道进行掘进并及时对失稳岩块进行支护。

a—数值计算结果; b—现场监测结果; c—左侧隧道围岩内侵变形; d—右侧隧道围岩内侵变形。倾角为30°时,与层理面右侧隧道拱顶处相交;正值表示隧道内侵变形。

对比相邻隧道围岩变形施工响应可知:中夹岩厚度、地质构造均是影响隧道间相互扰动强度的重要因素。如图4所示,右侧隧道先行掘进期间,右侧隧道围岩变形显著,约占总变形量的 80%,而左侧隧道(后行隧道)区域围岩也出现了小幅松动变形。同理,左侧隧道后行掘进期间,左隧道围岩变形约占总变形量的98%,而右侧隧道(先行隧道)则在掘进变形的基础上出现了约20%的内侵变形。可见,后行隧道掘进对先行洞围岩变形响应的影响较大。由数值计算结果图4a和现场监测结果图4b所示的隧道围岩内侵变形响应曲线可见:虽然数值计算数据略高于现场监测数据,但相同测点的内侵变形施工响应曲线走势基本相同,说明隧道轮廓与计算模型简化引起的计算误差可以接受。此外,由于倾斜层理与右侧隧道拱顶及右边墙相交,地层倾角变化对此处围岩内侵变形的影响最显著,隧道拱顶沉降量随地层倾角的增大呈非线性减小,并于倾角为75°时开始趋于收敛。左侧隧道拱顶与层理的垂直距离因地层倾角的增大而增大,导致左侧隧道围岩变形受地层倾角的影响随之减小,仅倾角为15°时拱顶沉降量最大,如图5c和图5d所示。相对于隧道拱顶沉降,仰拱隆起及水平收敛基本不受倾斜层理的影响,隧道内围岩内侵变形量由大至小的顺序依次为:拱顶沉降量、仰拱隆起量、边墙水平收敛量。值得一提的是:相邻隧道中夹岩侧边墙的水平收敛变形量约为外侧边墙水平收敛变形量的70%,这一差异主要与中夹岩厚度(相邻隧道间距)有关。

a—单线隧道; b—双线隧道。

2.3 倾斜层理岩体隧道地表沉降分析

除隧道围岩变形以外,地表沉降同样是浅埋隧道施工变形监测重点。无论是单线隧道还是双线隧道,隧道上方地表均会因隧道内土体掘进而出现如图5所示的沉降槽。而沉降规模则与地层岩性、地下水环境、地质构造等地质背景有关,地表沉降的预测都存在不确定性。[24-25]而在目前众多的预测施工隧道地表沉降的经验方法中,Peck 基于大量实测数据的高斯曲线拟合结果提出的Peck公式无疑是最简便的方法。[26-28]Peck公式认为隧道地表沉降曲线大致呈正态分布形式,主要由地层损失所致。单线隧道掘进引起的横向地表沉降估算式为:

(2)

式中:x为沉降点与隧道轴线的水平距离;s(x)为沉降点x处的沉降量;smax为单线隧道轴线上方位置出现的最大沉降量;i为地表横向沉降槽宽度系数;Aloss为横向沉降槽截面上土体损失面积;Atunnel为隧道掘进面挖掘的面积;R为圆形隧道掘进半径;η为地层损失率。

马克栓基于单线隧道Peck公式,提出采用超几何方法计算双线平行隧道地表沉降的方法[29],如图5所示。该法考虑先行隧道掘进对后行隧道的影响,在分别确定两隧道的沉降槽宽度系数i及土体损失率η的前提下,单独计算两隧道掘进引起的地表沉降并进行叠加,以右侧隧道先掘进为例,算式可表达为:

(3)

式中:if和ηf分别为相邻平行隧道的先行隧道掘进所致地表横向沉降槽宽度系数及地层损失率;il和ηl分别为后行隧道掘进所致地表沉降槽宽度系数和地层损失率。

可见,无论是单线隧道还是双线平行隧道,由隧道掘进所致的地表横向沉降槽的宽度系数i及隧道所处地层的土体损失率η均为隧道施工期间地表沉降预测的关键参数。既有隧道地表沉降预测研究以均质岩土体地层为主,而针对倾斜层理岩体隧道掘进导致地表沉降变形状态的研究较少。因此,基于数值计算结果针对地层倾角变化条件下相邻平行隧道掘进导致的地表沉降槽形态及特征参数进行分析,如图6、图7所示。随着地层倾角的增大(15°～75°),地表沉降槽由单峰“V形”向双锋“W形”转变,由于层理与右侧隧道相交,沉降槽峰值向右侧偏移。参考单线隧道沉降槽宽度系数及地层损失率的定义,对双线隧道地表沉降槽特征参数进行统计分析可知:沉降槽宽度系数i随地层倾角的增大(15°—45°—75°)大致呈先减小后增大的变化规律,而地层损失率虽受地层倾角的影响不大,但大致呈线性增大。此外,为对比验证FLAC3D计算结果的准确性,与隧道现场地表沉降的施工监测数据进行拟合,如图6b所示。隧道施工所致地表沉降现场监测数据均明显大于数值计算结果,这主要与地表非饱和回填土及长期降雨有关。值得注意的是:沉降曲线形态基本一致且峰值偏向隧道右线,说明数值模型可满足计算精度要求。

a—数值计算地表沉降曲线; b—倾角为30°时的地表沉降曲线对比。

a—沉降槽宽度系数; b—地层损失率。

2.4 层理隧道围岩应力响应分析

倾斜层理地层中,地层初始地应力因相邻隧道依次掘进而发生释放与调整,相邻隧道贯通后围岩最大主应力分布状态如图8所示。可见:隧道径向0.75倍隧道直径范围内围岩应力因掘进扰动而释放明显;地层倾角为30°时,围岩应力释放率最大,而应力释放率随径向深度的增大而呈非线性减小。此外,隧道围岩整体性因倾斜层理的存在而降低,围岩应力场也在层理两侧呈非连续分布,且随地层倾角的减小而趋于显著。值得注意的是:地层倾角较小时上盘岩体易出现局部应力集中,而层理面与隧道边墙相交所呈锐角区域围岩应力释放显著,层理两侧岩体在此发生共轭剪切,隧道边墙位置则因此极易发生大变形失稳破坏,而隧道拱顶与层理相交处所呈锐角区域围岩的失稳破坏则主要是结构面滑移与上方地层压力共同作用所致。因此,应在隧道施工过程中加强隧道外缘与层理相交所呈锐角区域围岩变形监测,同时应对存在失稳风险的岩体进行加固。进一步提取地层倾角为30°时隧道外缘上特征点的径向围岩应力(压应力)的掘进施工响应数据如图9所示,结合图4a所示围岩内侵收敛变形响应曲线分析可知:隧道掘进应力释放和围岩内侵变形同时存在,且单独隧洞应力释放主要发生在该隧洞掘进期间,先行隧道(右隧道)掘进引起的应力集中会造成后行隧道(左隧道)径向围岩应力的略微升高,而后行隧道(左隧道)掘进引起的应力释放会造成先行隧道(右隧道)的围岩应力进一步减小,同时伴随有新的内侵变形发生。

a—倾角15°; b—倾角30°; c—倾角45°; d—倾角60°; e—倾角75°。

隧道围岩塑性损伤区主要受隧道掘进扰动影响,多分布于隧道径向0.5倍隧道直径范围内围岩,松动区呈椭圆形,而中夹岩处塑性区较为集中,如图10所示。此外,层理上盘岩体在结构面与隧道交汇位置小范围内并未出现塑性损伤,这主要与倾斜层理控制范围内围岩整体性下降有关,而双线隧道整体塑性区面积分布受层理影响并不显著,损伤区占比仅随地层倾角的增加出现轻微减小趋势(图11)。

a—倾角15°; b—倾角30°; c—倾角45°; d—倾角60°; e—倾角75°。

3 结束语

依托重庆市南岸区在建轨道交通停车场出入段分离式地铁隧道建设工程,结合地质构造特点采用FLAC3D对倾斜层理岩体相邻地铁隧道暗挖施工响应规律进行研究,以地层倾角为变量分别从围岩变形、地表沉降、应力状态和塑性区分布角度进行对比分析,主要获得以下四点结论:

1)相邻隧道后行隧道掘进对先行隧道围岩的扰动较大,地层倾角的增加导致隧道内围岩变形非对称特征的显著性先增大后减小,而拱顶沉降量则呈非线性减小并趋于收敛。

2)地表竖向沉降槽随地层倾角的增大由单峰V形逐渐向双锋W形转变并趋于显著,且峰值向右隧道偏移,宽度系数也随之先减小后增大,土体损失率大致呈线性缓慢增大。

3)隧道径向0.75倍隧道直径范围内围岩应力掘进卸荷明显,应力场于层理两侧呈非连续分布特征的显著性随倾角的减小而增大,而隧道浅层围岩塑性损伤区占比却随地层倾角的增大呈轻微减小趋势。

4)层理两侧岩体在结构与隧道边墙相交位置易发生共轭剪切破坏,所呈锐角区域围岩应力释放显著,而小倾角层理上盘岩体易在此出现局部应力集中。