白茫雪山3#隧道断层支护结构稳定性评价

2015-12-01肖三民

中国科技纵横 2015年7期

关键词：雪山拱顶计算结果

肖三民

(中铁十二局集团第二工程有限公司,山西太原 030000)

白茫雪山3#隧道断层支护结构稳定性评价

肖三民

(中铁十二局集团第二工程有限公司,山西太原 030000)

白茫雪山3#隧道地处迪庆藏族自治州德钦县白马雪山自然保护区境内,隧道高程在4000m以上,全长3951m。由于白茫雪山3#隧道存在穿越大断层破碎带的工程问题,在断层破碎带施工时出现了围岩拱顶变形过大、边墙初期支护砼开裂剥落等工程不利情况。本文针对上述问题,提出了断层破碎带的支护加固方案,并采用数值计算方法对加固前后的施工情况进行了模拟分析。计算表明,相对于加固前,白茫雪山3#隧道加固后洞周的围岩变形量和塑性区均明显减小。实际施工情况也表明,加固后的支护方案有效地保证了隧道的施工质量和施工进度。本文针对白茫雪山3#隧道断层破碎带支护方案而开展的研究工作,对我国类似工程的设计和施工具有参考和借鉴的意义。

隧道工程断层支护加固数值分析围岩稳定性

1 引言

随着我国交通建设的发展，长大山岭隧道工程不断出现。由于山区复杂的地质条件，隧道类线性工程在施工过程中难免要穿越断层破碎带等不良工程地质。诸多工程实践和相关研究表明，隧道围岩的变形与破坏一般受断层破碎带等不利地质条件控制[1-3]。因此，如何有效的控制断层破碎带隧道围岩变形过大、正确合理地对隧道软弱破碎带及其支护结构的稳定性做出准确地评价，是复杂地质条件下保证隧道工程安全快速施工的关键[4]，具有重要的工程实际意义。

图1 隧道横断面尺寸及监测位置示意图

图2 隧道计算模型

表1 断层区域隧道围岩支护参数

针对隧道穿越断层时的支护结构稳定性问题，国内外众多学者开展了大量的研究工作。如贾剑青等[5]采用数值模拟方法分析了复杂条件下方斗山隧道支护结构的稳定性;姜鹏等[6]对雪峰山隧道断层的支护结构稳定性进行了评价分析;靳全红等[7]分析了大跨度公路隧道断层破碎带的施工方法、处理措施及监控量测等方面的内容;杨红军等[8]采用数值方法研究分析了隧道断层破碎带对隧道施工稳定性的影响;税明东等[9]对终南山公路隧道断层破碎带的综合施工技术进行了研究。

本文将在已有研究基础上，针对白茫雪山3#隧道存在穿越F1大断层破碎带的工程问题，对该破碎带范围内的支护措施进行加固处理，并采用数值模拟方法对加固前后隧道围岩的变形及受力情况进行计算对比分析，最后，结合数值计算结果和现场监测情况对隧道断层破碎带支护结构的稳定性进行评价。

2 工程概况

白茫雪山3#隧道地处迪庆藏族自治州德钦县白马雪山自然保护区境内，隧道进口高程4008.53m，隧道出口高程4015.54m。隧道主洞长3951m，在距隧道轴线右侧40m处设置一平行导洞，长3980m，隧道线型为直线，+1.0%/-1.0%的纵坡，隧道洞顶最大埋深294.39m。隧址区处于构造剥蚀中高山地貌，路线横穿山脊，沿线地形地势特点纵向为中间高，两侧低，横向为两侧高中间低。根据工程地质调绘及物探资料，整个隧址区上覆薄层第四系全新统冰碛(Qhgl)碎石、块石，下伏基岩为三叠系上统夺盖拉组一段(T3d1)页岩、板岩及甲丕拉组三段(T3j3)板岩夹安山玄武岩。

图3 三台阶七步流水作业法示意图[10]

隧址区发育F1(德钦～中甸～大具断层)断层，该断层破碎带宽百米与隧道小角度相交，F1断层全长300km，断层与隧道相交部位围岩岩性为碳质页岩与灰白色板岩互层夹砂岩、断层泥、断层角砾岩，设计围岩级别为IV级和V级，属软岩隧道。

3 断层破碎带支护情况

白茫雪山3#隧道开挖至F1断层及其次生断裂带区域时，开挖揭露的地质条件主要为粘质土夹碎石松散堆积体，系山体崩塌体及坡积-冲洪积物等，岩体极为破碎，且由于地表沟谷水系发育，隧道在该区域开挖时极易出现坍塌。该区域隧道围岩原有支护参数见表1所示。

在隧道施工开挖至断层破碎带区域时，围岩出现了拱顶变形过大、边墙初期支护砼开裂剥落等工程不利情况，经过现场勘察和讨论后，对断层区域原有的施工方案进行了修改，如将超前小导管由单排增加为双排、钢拱架增设大锁脚锚管、增加二衬及仰拱厚度等，具体加固方案见表1所示。

本文下面将根据实际的施工情况，对隧道支护加固后的断层破碎带处施工过程进行数值模拟分析及其支护结构稳定性评价。

4 数值模拟分析

4.1 计算模型和计算参数

为了计算断层破碎带处隧道围岩的支护结构稳定性，根据设计资料得到了该区段隧道的横截面开挖尺寸，见图1所示。由图可知，隧道采用三圆弧断面，其中拱顶圆弧开挖半径为5.99m，仰拱圆弧开挖半径为17m，拱腰圆弧半径为13m。隧道开挖高度约9.8m，宽度约12m。

建立计算模型时，取隧道洞周外围10倍左右大小的围岩为分析对象(见图2)。其中，计算模型沿水平X方向长度为250m;竖直Z方向的长度为250m;沿洞轴Y方向的长度为200m。计算模型包含358621个单元，60723个节点。由于白茫雪山3#隧道断层区域的围岩破碎严重，围岩类别属于Ⅴ级，为保证施工过程中围岩的稳定性，采用了三台阶七步流水作业法进行开挖，其开挖示意图见图3所示[10]。

图4 隧道围岩监测部位的位移计算结果

表2 计算参数的取值

表3 计算参数的取值

图5 隧道轴线竖直剖面围岩位移场计算结果(单位:mm)

模型四周竖直面和底部均采用垂直约束，顶部采用自由边界条件。隧道开挖时按三台阶七步流水作业法进行模拟，隧道开挖循环进尺取为1.5m。计算时断层区域的应力场仅考虑为自重应力场。计算时采用Mohr-Coulomb屈服准则。

隧道施工过程中，对拱顶和两侧边墙均设置有围岩变形监测点，对围岩实际变形进行监测，故计算参数将以围岩变形实际监测值为基础，采用参数反演方法[11]得到。白茫雪山3#隧道围岩变形监测位置见图1，其中，测点1监测拱顶的下沉变形量，测点2和3监测拱腰部位水平方向围岩的收敛位移。通过实测得到了白茫雪山3#隧道支护加固前的围岩最大变形量，其中，拱顶累计最大下沉变形量约10cm;水平向围岩的收敛位移约15cm。根据围岩最大监测变形反演得到的计算参数见表2所示。计算时，围岩支护方式参见表1，通过查阅规范或资料得到了支护材料的力学参数(见表3所示)。

4.2 计算结果分析

通过对白茫雪山3#隧道支护方案加固前后两种工况进行计算，得到了不同工况下围岩的变形计算结果(见图3和图4)。其中，图3(a)为断层区域隧道拱顶的累计下沉量随计算步数的变化曲线。由图可知，隧道支护加固前，拱顶围岩累计下沉量最大可达10.05cm;隧道支护加固后，拱顶围岩下沉量明显减小，最大累计下沉量仅为4.5cm。断层区域隧道拱腰水平收敛位移随计算步数的计算结果见图3(b)所示。由图可知，隧道支护加固前，拱腰水平收敛位移最大可达14.87cm;隧道支护加固后，拱腰水平收敛位移明显减小，最大水平收敛位移仅为5.8cm。

图5为断层区域围岩支护加固前后，隧道轴线竖直剖面围岩位移场计算结果。其中，图5(a)为支护加固前，隧道轴线竖直剖面围岩位移场计算结果。由图可知，隧道支护加固前，隧道附近围岩变形均较大，如拱顶围岩变形在8～10cm，台阶部位围岩变形在9～10cm，隧道底部变形在10cm。断层区域围岩支护加固后，隧道轴线竖直剖面围岩位移场计算结果见图5(b)所示。由图可知，支护加固后，隧道附近围岩变形明显变小，如拱顶围岩变形在4～4.5cm，台阶部位围岩变形在4.5～6cm，隧道底部变形在5～5.5cm。

根据《公路隧道施工技术规范》要求，覆盖层厚度在50～300m的条件下，隧道周边允许相对位移值或拱顶位移实测值与隧道的宽度之比应在0.2%～0.5%之间。加固后经过计算得到的拱顶位移与隧道宽度的最大比值为0.48%左右。因此，隧道周边的变形值满足隧道周边允许位移值的要求，即加固后的支护方案能够满足隧道安全掘进的要求。