充填黏土型岩溶隧道大变形换拱衬砌受力研究

2022-02-17唐国军覃桢杰马少坤李卓峰李金梅

广西大学学报（自然科学版） 2022年6期

唐国军, 覃桢杰, 马少坤, 李卓峰*, 李金梅

(1.广西交通设计集团有限公司, 广西南宁 530029；2.广西大学土木建筑工程学院, 广西南宁 530004)

0 引言

近年来,随着国家基建事业的迅捷发展,高速公路修建热潮已辐射到地形复杂的西南地区,山区公路隧道工程建设进入了快速发展阶段[1],同时西南部云、黔、桂和川、鄂、湘部分地区岩溶十分发育,岩溶区公路隧道的岩溶灾害时有发生,种类甚多,大多会对隧道建设造成巨大的经济损失,甚至导致产生灾难性的后果。

隧道洞身段岩溶发育且富含黏土填充物,对于岩溶区隧道来说是一种常见的地质灾害[2-3],隧道施工穿越该类地段时,施作初期支护后易出现大变形的情况,若处置不当则会诱发塌方及地表塌陷等严重问题。目前关于隧道围岩大变形的问题已有较多研究[4-9],其中围岩条件是影响隧道变形的关键因素之一。王志杰等[10]通过现场测试手段研究土砂互层隧道发生围岩大变形时的应力状态,指出地层差异引起的应力集中与施工措施缺乏针对性是导致大变形产生的主要原因,采用长钢管注浆及格栅钢架换拱的手段可以起到良好变形控制效果。赵志刚等[11]通过现场测试和数值模拟手段分析表明注浆加固可以有效控制黄土隧道围岩大变形。李玉平等[12]通过模拟数值计算证明了炭质板岩隧道采用锚杆加固围岩松动圈具有可行性。李磊等[13]研究了高地应力下陡倾层状千枚岩小净距隧道的大变形机理,提出调整施工工序的大变形控制方案。王睿等[14]通过理论推导与现场测试的手段对软岩大变形隧道系统锚杆参数取值进行了优化。刘志春等[15]根据现场测试与数值模拟手段提出了在软岩大变形隧道中以隧道极限位移值为基础判断隧道二衬施作时机的方法。由于隧道围岩大变形受围岩条件影响显著,不同情况下处置重点有较大差异,因此对于穿越填充黏土的岩溶区隧道围岩受力变形特征、处置控制措施、支护与围岩变形的相互作用机理等缺乏一定的研究。

三江至柳州高速公路大塘隧道的溶洞发育范围贯穿整个隧道洞身,属于典型的岩溶区隧道,施工开挖过程中发生初期支护大变形,经过换拱得到有效控制。研究该隧道大变形围岩压力及换拱前后初期支护结构和二衬的应力、应变情况,对今后隧道穿越岩溶发育且黏土填充地段时处置大变形灾害具有一定的指导和借鉴意义。

1 工程概况

大塘隧道位于三江至柳州高速公路柳城县县城附近,隧道设计为双洞分离式隧道,左线长970 m,右线长960 m,左、右线起讫桩号分别为JK139+370～JK140+340、IK139+360～IK140+320,设计高程在146～170 m,最大埋深280 m。隧道施工过程中先后遇到尺寸不一的溶洞30余个,其中左洞JK139+485～JK139+555段,埋深为32～35 m,岩溶强烈发育,多发育溶蚀裂隙、溶洞,溶洞空间形态多呈漏斗状,岩体较破碎到较完整,充填物主要为软塑状黏土,如图1所示。左洞JK139+485～JK139+555段施工期间发生大变形,导致严重侵限的病害,如图2所示。

2015年3月31日,掌子面由大桩号方向开挖至JK139+540,上部揭露为黑色黏土,拱顶向下约3 m部分充填软塑性黏土,两拱脚处冒水,4月27日掌子面开挖至JK139+530,揭露溶洞填充物松散状黑色黏土,下台阶以软塑状黄色黏土为主,隧道底板松软,拱部及拱脚位置渗水严重,5月9日,JK139+540～JK139+534段初期支护下沉收敛,出现裂缝,开挖至JK139+510,隧道仍在溶洞范围内,业主组织进行安全讨论后决定封闭掌子面,然后从左洞进口端反方向施工开挖,11月份开挖至封闭段后对大变形病害进行治理,处置措施为钢管桩加固基底防止拱脚下沉,超前注浆提升围岩力学参数,增加初支及二衬的厚度以确保结构强度,具体处置方案见表1和图3所示。

图1 软塑状黏土填充物

图2 大变形(试验段隧道)

表1 大塘隧道左洞JK139+485～JK139+555段施工情况Tab.1 Construction of left line JK139+485～JK139+555 of Datang tunnel

图3 大塘隧道左隧道JK139+485～JK139+555工程处理Fig.3 Treatment of Datang left tunnel at JK139+485～JK139+555

2 现场测试

2.1 测试方案

为了研究大变形条件下换拱后受力规律,在左洞JK139+485～JK139+555大变形段中选取JK139+534、JK139+538、JK139+542作为3个典型的断面,对围岩压力、锚杆轴力、二衬混凝土应变、二衬钢筋应力进行详细监测,具体监测断面位置如图3所示。围岩压力采用土压力盒监测,量程为1.0 MPa；锚杆轴力采用测力锚杆监测,量程为-40～80 kN；二衬混凝土应变采用混凝土应变计监测；二衬钢筋应力采用钢筋应力计监测,量程为-40～80 kN。监测频次均为每2 d一次。

每个典型断面的土压力盒、混凝土应变计、二衬钢筋应力计、测力锚杆的布置位置如图4所示。根据围岩形态分布规律和拟监测值的分布特征来进行设计,应力变化较大的位置必须设置监测点,同时监测仪器的布置还应能体现出监测值沿着隧道断面分布情况,以便准确把握围岩压力和支护结构的内力分布形态。基于以上原则,土压力盒、混凝土应变计及钢筋计在每个断面上均选取5个监测点,分别为拱顶1处、拱腰2处、拱脚2处。对于测力锚杆,每个断面布置5个测孔,每个测孔设置测力锚杆,每根测力锚杆由浅到深设置两个测点(即②和①)。

图4 大塘隧道测试元件布置示意图Fig.4 Layout diagram of test elements in Datang tunnel

2.2 测试结果

2.2.1 围岩压力

各断面围岩压力变化时态曲线如图5所示。隧道围岩注浆后至换拱14 d左右的时间内,各部位围岩压力增长迅速,换拱初期岩体应力释放较快,施工换拱应循序渐进,若一次性换拱进尺过大易导致围岩应力释放过多,变形过大进而造成二次塌方；而在完成换拱至二衬施工后各断面的围岩压力呈现出缓慢增长态势,二衬施工完成7个月后围岩压力趋于稳定,即支护与围岩协同变形后达到相对平衡状态。可以推测换拱后围岩变形有限,没有完全失去自稳能力。

(a) JK139+534断面

(b) JK139+538断面

图5 围岩压力时态曲线Fig.5 Pressure temporal curves of surrounding rock

最终沿着断面的围岩压力分布状态(压为正,拉为负)如图6所示。衬砌在换拱完成后至变形稳定期间,拱顶处的压力值处于0.23～0.28 MPa,拱腰处压力值处于0.04～0.09 MPa,拱脚处的围岩压力值介于0.01～0.35 MPa,拱顶平均围岩压力最大,拱脚次之,拱腰处的最大围岩压力相比于拱顶与拱脚而言明显较小,围岩压力主要来自于拱顶与拱脚两侧,拱顶的围岩压力最为显著,在换拱期间应保证隧道拱顶的临时支撑措施,并加强两侧锁脚。换拱后初支所受围岩压力最大值为0.35 MPa,在常规Ⅴ级深埋围岩压力理论计算值范围内,一般的Ⅴ级深埋支护型式可满足受力要求。综上分析可知，由于注浆后围岩强度提升,且围岩大变形已释放了部分围岩压力,初期支护受力较小，因此,提升围岩力学参数以及适度释放围岩压力,是保证大变形段落换拱后初期支护稳定的有效手段。

(a) JK139+534断面围岩压力

(b) JK139+538断面围岩压力

2.2.2 锚杆轴力

锚杆轴力的监测结果(压为正,拉为负)如图7所示。换拱初期围岩变形速率较快,应力释放明显。与初支所受压力相对应,经过14 d后,其他部位锚杆轴力趋于稳定,只有拱顶部位近处锚杆轴力缓慢增长,并于二衬施工7个月后趋于稳定。

(a) JK139+534断面

(b) JK139+538断面

锚杆轴力最终分布如图8所示。锚杆所承受的应力大部分为拉应力,且位于围岩深处的锚杆测点拉应力远小于锚杆近处拉应力,锚杆②处围岩变形大，①处围岩变形小,说明锚杆端头已位于围岩松动区之外，进一步表明注浆换拱后,围岩松动区范围很小,此时围岩压力主要为形变压力。拱顶范围锚杆受力大,最大拉应力为17.85 MPa,拱顶处锚杆受力作用较为明显；左、右边墙处锚杆受力小,且部分受压,最大压应力为3.18 MPa。结合围岩压力图6,围岩压力主要来自拱顶部位,拱脚围岩压力相对较小且不同断面的拱脚围岩压力有不对称的表现,拱脚围岩压力出现这种不规律的情况说明边墙处衬砌受力主要为自身形变挤压围岩所产生的主动抗力。总体而言,在围岩大变形情况下在拱顶打设锚杆,可以有效地控制顶部岩层的变形,对控制洞室的整体稳定有着一定的促进作用。

(a) 大塘隧道JK139+534锚杆受力

2.2.3 二衬混凝土应力

将所测得混凝土应变值转换为应力,测试结果如图9、10所示。根据二衬受力时程曲线可知,在二衬浇筑完成前14 d内,二衬受力呈现增大—减小—增大的过程,原因是二衬台车提供了预应力,在拆除二衬台车模板后,支护结构恢复二次应力状态,围岩发生蠕变与流变[16],二衬荷载持续增大,最后达到稳定。根据图10二衬混凝土整体上受力处于3 MPa左右,远大于初期支护受力,说明大变形隧道二衬结构不仅作为安全贮备存在,还是主要的受力结构。拱顶部位是变形的最大点,也是受力的最大点,最大混凝土应力约为3.89 MPa；拱腰、拱脚处次之,均在极限抗压强度范围以内,整体结构安全,有足够的安全储备。

(a) JK139+534断面

(b) JK139+538断面

(a) JK139+534断面外侧混凝土应力

2.2.4 内侧钢筋应力

二衬内侧钢筋应力的监测结果(压为正,拉为负)如图11、12所示。随着二衬施作时间增加,各部位钢筋由受压转变为受拉后趋于稳定，表明二衬施作初期,二衬不承担或承担极少部分围岩压力；而后由于围岩发生蠕变与流变,二衬参与受力,承受主要围岩压力。围岩变形达到稳定后,钢筋受力最大值出现在JK139+538断面的左拱腰处,为20.3 MPa,但远未达到钢材的极限强度值。

(a) JK139+534断面

(b) JK139+538断面

(a) JK139+534断面内侧钢筋应力

3 数值模拟

3.1 数值模型及参数

本节主要模拟隧道穿越溶洞填充黏土范围发生大变形时支护的受力情况及换拱后新施作支护的受力情况。因此,模型简化为穿越黏土地层的隧道,模拟隧道施工开挖和换拱的过程,对隧道支护受力进行分析。采用MIDAS GTS NX软件进行计算,围岩与衬砌均选用平面应变单元模拟,单元数量为1 642个,围岩材料采用摩尔-库仑本构模型,衬砌材料采用弹性模型,选取模拟区域为100 m×70 m(宽度×高度),隧道埋深为35 m,中间30 m的溶洞黏土地层,隧道位于黏土层中间,如图13所示,约束模型底部竖向位移以及两侧水平位移。

图13 数值模型Fig.13 Numerical model

根据工程概况,计算参数选取见表2、3。为模拟隧道开挖施工,计算中对初期支护进行简化处理,选取加固范围为3.5 m,采用提升强度法模拟地层加固,将其相应的土层参数增大。增大后参数分别为:弹性模量1.3 GPa,泊松比0.35,容重21 kN/m3,黏聚力200 kN/m2,内摩擦角27°。

表2 隧道围岩物理、力学参数Tab.2 Physical and mechanical parameters of tunnel surrounding rock

表3 隧道支护参数Tab.3 Tunnel support parameters

3.2 计算结果及分析

隧道开挖后,只施加初期支护的围岩位移及受力情况如图14所示。

(a) 围岩水平位移

(b)围岩竖向位移

(c)初支最大主应力图图14 隧道换拱前位移及受力情况Fig.14 Displacement and stress of tunnel before lining replacement

数值模拟结果表明,未换拱前,拱顶部位是变形的最大点,竖向沉降达到30 cm左右,侵限严重,拱腰两侧围岩水平方向位移较小,最大约7 cm,拱脚范围处围岩向外侧变形,说明顶部压力过大,引起钢架向两侧挤压变形；拱顶处应力达到2 MPa左右,拱腰处次之,拱脚处局部拉应力最大,初期支护整体上受力非常大。由于隧道变形明显过大,因此采取换拱措施并且及时施加二衬,隧道位移及受力情况如图15所示。

(a) 围岩水平位移

(b) 围岩竖向位移

进行换拱后,根据图15(b)、(c),初期支护拱顶处的下沉值在10 cm以内,拱脚两侧区域水平方向位移与换拱之前相比,出现了收敛的现象,水平位移最大约6 cm,围岩变形得到有效控制,说明拱顶竖向压力下降,钢架侧向变形减小,拱脚水平力减小,该类隧道中初支所承受的水平压力主要来自于衬砌形变所产生的弹性抗力,围岩产生的水平压力较小,进一步验证了图6中拱脚围岩压力突变是由于钢架自身变形挤压围岩这一观点,也可以推断出承受竖向压力为主的拱顶处围岩压力最大,初期支护的整体受力特征与图6所示实测数据显示的受力特征相同。初支拱墙处的理论计算应力值在0.03～0.46 MPa,总体上受力较小,二衬结构承受大部分围岩荷载,其所受应力在0.16～1.61 MPa,二衬拱顶外侧受压明显,拱腰与拱脚处外侧应力较小,对照图9实测曲线,二衬数值计算应力值与分布规律比较接近实际二衬施作30 d左右的应力值,而图10所示实测的二衬最终应力值在1.26～3.89 MPa,理论值相较实测结果较小,且二衬外侧均受压,推测其原因是实际围岩相较数值模拟条件还存在后期的蠕变与流变现象。该类隧道中围岩长期的变形影响显著,但衬砌总体受力程度均在混凝土极限抗拉强度范围以内。

通过换拱将初期支护与二衬联立作用的支护措施可减少支护结构约66%的变形,能较好地控制围岩变形。与此同时,支护结构相对单一的初次支护整体受力分布合理,结构安全,有足够的安全储备,有利于结构长期的稳定性。