全风化花岗岩地层隧道施工稳定敏感性分析

谭李峰

(中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁 辽阳 111010)

全风化花岗岩地层隧道开挖后围岩表现为砂土状态，稳定性差，易出现沉降过大和隧道坍塌等灾变[1-2]，而该地层在中国华南、西南等地区花岗岩分布广泛[3]，给地下工程的建设带来极大的风险和挑战，因此探究全风化花岗岩地层下的围岩变形控制技术重要而且迫切。

目前对于围岩稳定性的控制技术已经较为成熟[4-5]，但是鲜有涉及围岩的物理力学参数对围岩变形的敏感性分析。本文以团结隧道为工程依托，基于现场钻探、室内试验和数值模拟对围岩物理力学参数对隧道变形的影响进行分析，研究结果可为团结隧道及类似工程的围岩参数设计提供借鉴和参考。

1 工程概况

团结隧道进口里程DK145+999，出口里程DK151+329，全程5 330 m，隧道最大埋深约223.5 m。隧道洞身处分布多条冲沟，雨季时有水流通过，水流量变化较大，隧道单日正常涌水量5 243 m3/d，最大涌水量15 096 m3/d。现场地质钻探结果如图1所示，花岗岩地层风化严重，呈砂土状，围岩稳定性差，施工过程中常出现支护结构破坏等灾变现象。

图1 现场地质钻探结果

2 计算模型及参数

基于全风化花岗岩地层物理力学性质差的特性，本文通过数值模拟探究全风化花岗岩地层的稳定性随物理力学参数的变化规律并进行敏感度分析。采用FLAC有限差分软件进行数值模拟，依据圣维南原理，计算模型的左右及下边界取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，隧道底部约束竖向位移，四周约束水平位移，模型共103 800个单元，计算模型如图2所示。选取开挖面为40 m处的断面为监测断面，监测点分别为拱顶、侧墙和仰拱。根据室内土工试验(图3)和设计资料确定围岩和支护结构的力学参数如表1所示。本文取无支护时应力释放率为30%，初期支护承担70%的围岩应力释放。钢架和喷射混凝土在计算模型中采用等效刚度进行计算,具体计算如式(1)所示。

表1 全风化花岗岩和支护结构物理力学参数

图2 计算模型

图3 物理力学试验

(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。

3 计算结果

3.1 计算工况

本文基于敏感度分析，对弹性模量、粘聚力和内摩擦角对隧道变形的影响进行分析。计算工况为：弹性模量取值范围，70、110、150、190、230 MPa；粘聚力取值范围，120、160、200、240、280 kPa；内摩擦角取值范围，25°、29°、33°、37°、41°。

3.2 敏感度分析理论

定义敏感度函数为[6]

(2)

式中:P为系统特性值，ak为影响因素。

当|Δak|/ak比较小的情况下有：

(3)

(4)

(5)

3.3 围岩参数敏感性分析

弹性模量计算工况下的水平和竖向位移云图如图4所示。

图4 位移云图

不同弹性模量下的隧道变形数值模拟值及其拟合曲线和敏感度因子如图5所示。图5表明隧道40 m监测处的拱顶沉降、水平收敛和仰供隆起随着弹性模量的增大表现为减小的变化趋势，这是因为随着弹性模量的减小，土体的应力应变比降低，从而导致刚度的降低和弹塑性的增强，进而导致变形增大。当弹性模量由70 MPa增加至230 MPa时，拱顶沉降由93.8 mm减小至68.5 mm，降低30.0%；水平收敛由85.5 mm减小至63.7 mm，降低25.5%，仰供隆起由79.9 mm减小至64.2 mm，降低19.6%。拱顶沉降和水平收敛的敏感度因子值随弹性模量的增大表现为先增大后减小、仰供隆起则表现为增大趋势，最大敏感度因子分别为0.62、0.51和0.364。

图5 弹性模量对围岩稳定性影响

不同粘聚力下的隧道变形数值模拟值及其拟合曲线和敏感度因子如图6所示。图6表明隧道40 m监测处的拱顶沉降、水平收敛和仰供隆起随着粘聚力的增大表现为减小的变化趋势，当粘聚力由120 kPa增加至280 kPa时，拱顶沉降由104.9 mm减小至79.8 mm，降低25.1%；水平收敛由95.8 mm减小至68.7 mm，降低28.3%；仰供隆起由89.7 mm减小至64.9 mm，降低27.6%。随着粘聚力的增大，隧道变形的敏感度因子值总体表现为先减小后增大的变化规律，最小敏感度因子分别为0.05、0.37和0.32。

图6 粘聚力对围岩稳定性影响

不同内摩擦角下的隧道变形数值模拟值及其拟合曲线和敏感度因子如图7所示。图7表明随着内摩擦角的增大，40 m监测处拱顶沉降、水平收敛和仰供隆起值均表现为减小的变化趋势。当内摩擦角由25°增加至41°时，拱顶沉降由88.8 mm减小至87.2 mm，降低1.8%；水平收敛由79.6 mm减小至78.0 mm，降低2.0%；仰供隆起由76.0 mm减小至74.4 mm，降低2.1%。拱顶沉降的敏感度因子值随着内摩擦角的增大总体表现为先增大后减小再增大的变化规律，水平收敛表现为递减的变化规律，而仰供隆起则表现为先减小后增大的变化趋势。

图7 内摩擦角对围岩稳定性影响

各物理力学参数下的修正敏感度因子如表2所示。表明在控制隧道变形上，粘聚力的影响最大，弹性模量影响次之，内摩擦角影响最小。

表2 敏感度因子

4 现场施工及监测

根据敏感性分析结果，现场对于Ⅴ级围岩地层隧道施工过程中采取的支护措施主要包括：Ⅴa型复合式衬砌、超前小导管以及三台阶临时横撑法。超前小导管采用热轧无缝钢管，直径42 mm，壁厚3.5 mm。衬砌结构采用C25喷射混凝土和钢筋混凝土二次衬砌。为保证隧道施工过程中的稳定性，现场对围岩变形进行监测，隧道变形及沉降速率监测结果如图8所示。图8结果表明采取现场支护措施后，围岩在隧道施工36 d后基本保持稳定，拱顶沉降最大值58.3 mm，水平收敛最大值54.7 mm，表明现场采取的支护方案有效。

图8 现场监测结果

5 结论

(1)粘聚力对围岩变形的影响最大，内摩擦角的影响最小，弹性模量的影响介于二者之间。随着物理力学参数的增大，围岩变形表现为减小的趋势。

(2)现场监测结果表明依托工程采取的支护方案能够有效保证施工的稳定性，围岩在施工后36 d保持基本稳定。