深埋千枚岩隧道群变形规律及预留变形量分析

2022-06-20王恩波昝文博唐琨杰周云鹏

甘肃科学学报 2022年3期

王恩波,昝文博,,唐琨杰,周云鹏

(1.陕西工业职业技术学院土木工程学院,陕西咸阳 712000;2.长安大学公路学院,陕西西安 710064;3.陕西交通控股集团有限公司安岚管理处,陕西西安 710000)

近年来,随着我国西部地区交通建设事业的快速发展,在公路、铁路网的规划和建设中出现了大量的深埋软岩隧道工程难题,其中以千枚岩为主的软岩隧道大变形问题尤为突出[1-3]。千枚岩变形量通常在300 mm以上,变形速率最高可达100 mm/d,远大于相关规范规定的预留变形量[4];加之千枚岩遇水软化后围岩力学性质迅速降低,致使隧道变形进一步增大,极易诱发隧道初期支护变形侵限,从而不得不采取拆换钢拱架等施工工序[5-7],不仅威胁隧道施工安全,而且造成巨大经济损失。因此,明确千枚岩隧道变形规律及合理预留变形量标准对于保证隧道施工安全和节约工程费用具有十分重要的意义。

国内外众多学者针对深埋千枚岩隧道受力与变形特征等方面开展了大量的研究工作,并取得了一定的研究成果。文献[8-9]中采用数值模拟与现场试验相结合的方法,从洞室变形、锚杆轴力和复合式衬砌接触压力以及结构内力等方面对7种不同的隧道施工工法进行了系统全面的比较;文献[10]中以成武高速2号隧道为工程背景,针对原设计在隧道施工中出现围岩变形较大、初期支护开裂破坏等不利现象,提出了增加单层和双层初支刚度的强支护方案,同时建立相应的数值计算模型对比分析了不同支护参数对千枚岩隧道结构受力与变形的影响;文献[11-12]中对成兰铁路茂县隧道1号斜井初期支护变形进行了为期3年的长期跟踪监测,基于一定保证率提出了二次衬砌施作时的变形速率标准和施作时机要求,并通过现场试验验证了其可行性;文献[13]中采用室内模型试验研究了Ⅴ级破碎千枚岩隧道在不同埋深、施工工法及支护参数等条件下的变形破坏规律,并结合现场统计数据建立了破碎千枚岩隧道施工期位移安全控制基准。上述研究成果有力推动了千枚岩隧道设计与施工技术的进步与发展,但已有隧道工程实践表明:洞室周边位移的产生除受施工工法和支护参数影响外,诸如千枚岩风化程度、断层破碎带等因素对隧道变形的影响往往不可忽视,而这些因素与隧道变形的相关性、设置隧道预留变形量时应如何考虑上述因素的影响有待进一步研究。

鉴于此,以银百高速公路安康至岚皋段3座典型千枚岩隧道群为工程背景,针对隧道穿越不同风化程度以及断层破碎带的千枚岩地层变形情况进行系统的现场实测与统计分析,以期在上述因素对千枚岩隧道变形影响规律的基础上,给出该类隧道预留变形量推荐指标值,为类似工程设计与施工提供参考。

1 工程概况与测试方案

1.1 依托工程概况

银百高速公路安康至岚皋段全长47 km,位于秦巴山区,大巴山主脊横亘区内南部,山势自南向北倾斜,南部山区坡陡谷深、狭窄深邃,北部沿河两侧多为浅山丘陵。其中以千枚岩为代表的软岩分布极为广泛,集中在谢家坡隧道、中河隧道以及跷溪河隧道内(见图1)。受区域南秦岭造山带的镇旬—北大巴山滑脱逆冲推覆带及次一级的逆冲推覆构造的动力作用影响,千枚岩体呈现出散体破碎形态(见图2)。

图1 千枚岩隧道群地理位置Fig.1 Geographical location of phyllite tunnels

图2 破碎千枚岩体Fig.2 Broken phyllite rock mass

隧道围岩主要为志留系下统梅子垭组(S1m)千枚岩:鳞片变晶结构,千枚状构造,地层产状72°～204°∠33°～67°,并且夹杂断层破碎带。按围岩风化程度可划分为强风化、中风化、微风化3个等级。强风化千枚岩:浅灰色,节理裂隙极发育,多呈张开—微张,岩石被节理裂隙分割成碎石、碎块状。中风化千枚岩:灰色,节理裂隙发育,浅部呈微张,深部多闭合,裂隙中有石英脉充填。微风化千枚岩:灰色,岩质新鲜,含少量黄铁矿,节理裂隙较发育,多闭合,局部由石英脉充填。

1.2 现场测试方案

拱顶下沉和水平收敛测点均设置在同一断面内,一般地段每10 m一个测试断面,对于特殊不良地质地段可适当加密。拱顶下沉取A、B、C 3个测点的平均值,水平收敛取左边墙测点D和右边墙测点E向洞内水平变形的相对值。监控测点应尽可能接近掌子面(≤2 m)且在下一循环开挖前记录初读数。拱顶下沉使用高精度水准仪和专用高程测杆,周边收敛采用数显收敛仪,仪器精度为0.01 mm。详细测线布置见图3。

图3 监控测点布置Fig.3 Layout of tunnel measuring points

2 测试结果分析

2.1 隧道群全程变形终值分布

对隧址区3座以千枚岩为主的隧道群进行了为期1年多的现场持续监测,得到拱顶下沉和水平收敛的变形稳定值分布如图4所示。

由图4可知:(1)谢家坡隧道在K15+600～K16+000段拱顶下沉较大,K15+625断面下沉最大,30 d的观测中累计沉降74 cm;K15+800～K16+600段水平收敛较大,K16+600断面收敛最大,30 d的观测中累计收敛61 cm;(2)中河隧道在K21+700～K22+300段拱顶下沉和水平收敛较大,最大值分别在K22+105和K23+300断面,30 d的观测中拱顶下沉和水平收敛累计值分别达到95.3 cm和90.1 cm;(3)跷溪河隧道在K24+400～K24+725段拱顶下沉和水平收敛较大,最大值均在K24+450断面,30 d的观测中拱顶下沉和水平收敛累计值分别达到75.7 cm和66.1 cm。

图4 千枚岩隧道群拱顶下沉和水平收敛全程终值分布Fig.4 Final values of deformation in whole course for tunnels crossing of phyllite rock mass

总体来说,千枚岩隧道围岩变形整体较大且离散性高,谢家坡隧道拱顶下沉最大值为74 cm,平均值为40 cm,水平收敛最大值为61 cm,平均值为37.5 cm;中河隧道拱顶下沉最大值为95.3 cm,平均值为56.2 cm,水平收敛最大值为90.1 cm,平均值为52.2 cm;跷溪河隧道拱顶下沉最大值为75.7 cm,平均值为41.4 cm,水平收敛最大值为66.1 cm,平均值为38 cm。分析千枚岩隧道拱顶沉降和水平收敛均较大的原因:(1)千枚岩岩质较差、整体风化程度较高,自身强度低且局部裂隙含水导致围岩物理力学性质进一步降低。地勘报告揭示现场岩体原位直剪试验得到的千枚岩黏聚力仅15 kPa,隧道开挖后拱部岩体仅靠摩擦效应和微弱的黏聚力作用难以形成稳定的平衡拱,导致拱部松弛变形及荷载较大;(2)隧道采用台阶法预留核心土开挖过程中,初期支护拱脚约束不足且局部积水,加之千枚岩遇水软化,拱脚地基承载力不足,进一步加剧了支护系统的沉降变形。需要特别说明的是,由于水平收敛是隧道左、右侧边墙向洞内变形的相对值,而拱顶下沉是隧道拱部测点沉降的绝对值,从而导致拱顶下沉与水平收敛的累计稳定值基本相当。

2.2 围岩变形地质分段分析

千枚岩隧道群在不同地质段拱顶下沉和水平收敛变形的实测范围与平均值见表1。由表1可知,拱顶下沉和水平收敛均随桩号里程变化表现出较大的离散性,但总体变形依照围岩风化程度差异和断层破碎带的影响呈现出如下变化规律:

表1 不同地质段拱顶下沉和周边收敛实测结果Table 1 Vault crown subsidence and peripheral convergence in different geological sections

(1) K15+875～K16+260、K17+900～K18+100、K25+000～K25+500为微风化千枚岩段,岩体节理裂隙稍发育,节理裂隙面多闭合或由石英细脉充填,受断层影响,围岩稳定性较差。隧道拱顶下沉与水平收敛相差不大,变形平均值在25 cm左右。

(2) K15+220～K15+540、K17+400～K17+900、K20+300～K21+300、K22+300～K22+800、K23+720～K24+400和K25+500～K25+938为中风化千枚岩段,岩体节理裂隙较发育,围岩自稳能力差,拱顶下沉和水平收敛较为明显,相比微风化千枚岩段变形大,变形平均值在30 cm左右。

(3) K15+540～K15+760、K16+260～K17+400、K21+300～K21+800为强风化千枚岩段,主要集中在隧道的进出口,节理裂隙发育,岩体破碎,围岩稳定性极差,变形平均值在40～45 cm;而K22+800～K23+300、K24+650～K25+000由于裂隙水含量较高,围岩变形平均值达55 cm。

(4) K15+760～K15+875、K21+900～K22+300、K24+400～K24+650为断层破碎带,主要岩性为断层角砾岩,岩体极破碎,结构松散,炭质含量较高,围岩稳定性极差,变形平均值在50～60 cm。

2.3 典型断面变形时态曲线

选择4个不同风化程度的断面进行分析(见图5),需要特别说明的是:由于隧道穿越断层破碎带时出现了严重的大变形现象,导致初支开裂、钢拱架扭曲等工程灾害,从而不得不拆换钢拱架,由此获得了该断面较长一段时间内的监测数据。K25+423断面地处微风化千枚岩段,实测拱顶下沉的累计变形值为22.2 cm,水平收敛的累计变形值为26.3 cm;K25+723断面为中风化千枚岩段,实测拱顶下沉的累计变形值为36.3 cm,水平收敛的累计变形值为39.3 cm;K24+750为强风化千枚岩段,实测拱顶下沉的累计变形值为53.2 cm,水平收敛的累计变形值为44.1 cm;K24+500断面为断层破碎带,实测拱顶下沉的累计变形值为73.2 cm,水平收敛的累计变形值为62.4 cm。

图5 隧道典型断面拱顶下沉、水平收敛及其速率变化曲线Fig.5 Vault crown subsidence,horizontal convergence and its rate change curve of typical tunnel section

因各断面围岩风化程度、地下水以及构造破碎带情况不同,导致拱顶下沉和水平收敛随时间的变化规律不一致。其中微风化、中风化千枚岩段隧道变形基本在30～35 d趋于稳定,而强风化千枚岩段隧道变形需要60 d左右才趋于稳定,断层破碎带更是在施工完成120 d后拱顶沉降和水平收敛才出现逐渐稳定的迹象,这主要是因为断层破碎带处围岩自身强度极低,爆破开挖扰动破坏了围岩的完整性及其强度指标,加上地下水的存在进一步软化围岩,导致围岩完全丧失自承能力,围岩荷载不断转移至支护结构,支护结构受力和变形均不断增大。

2.4 变形测试数据回归分析

为探索千枚岩隧道变形规律并预测围岩的最终变形量,采用指数函数对拱顶下沉和水平收敛进行回归分析[14-15],选取的回归函数模型为

μ=A+B×exp(-t/C),

(1)

其中:μ为变形量(cm);t为时间(d)；A、B、C为拟合系数。隧道典型断面拱顶下沉以及水平收敛的回归函数拟合计算结果见表2。

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表2 隧道典型断面变形回归分析结果Table 2 Regression analysis results of typical section deformation for tunnels

由表2可以看出,使用指数函数模型对4个典型断面的拱顶下沉和水平收敛分别进行回归分析,尽管变形量值差异较大,但是所有断面拟合优度都在0.93以上,表明不同风化程度的千枚岩隧道变形随时间的变化曲线符合指数函数的变化规律,且该回归函数为有界函数,同时结合变形时态曲线的稳定时间预测围岩的最终变形,模型预测值与实测变形稳定值的相对误差始终在15%以内,基本能够满足工程对于变形预测的精度要求。

3 预留变形量分析

预留变形量是隧道设计施工中一项非常重要的指标,取值过大势必会造成初期支护和二次衬砌厚度增加,产生额外的工程费用;预留变形量不足则会引起初期支护变形侵限从而不得不拆换钢拱架[16-17]。鉴于千枚岩物理力学性质的复杂性和特殊性,通过理论分析计算准确地确定其预留变形量是十分困难的,必须结合现场监测信息进行反馈分析确定。千枚岩隧道群拱顶下沉和水平收敛的现场监测变形统计分析结果如图6所示。

由图6可知,预留变形量分别取45 cm、55 cm、65 cm、75 cm时,拱顶下沉保证率分别为52%、80%、93%和98%;预留变形量分别取40 cm、50 cm、60 cm、70 cm时,水平收敛保证率分别为56%、82%、92%和97%。对于同一保证率下的拱顶下沉和水平收敛变形范围存在一定的差异,并且拱顶下沉为绝对沉降值,水平收敛为相对变形值。因此,建议大巴山区域千枚岩隧道的预留变形量在拱顶和边墙处分开设置,同时应结合千枚岩风化程度、构造破碎带以及地下水状况分别取值。

图6 千枚岩隧道群围岩变形统计分析结果Fig.6 Statistical analysis results of surrounding rock deformation of tunnels in phyllite stratum

根据大巴山隧址区千枚岩隧道群拱部沉降和水平收敛现场监控量测数据分析结果,深埋千枚岩隧道采用三台阶七步开挖法施工时,微风化千枚岩段预留变形量建议取20～30 cm,中风化千枚岩段隧道预留变形量建议取30～45 cm,强风化千枚岩段隧道预留变形量建议取40～60 cm,千枚岩断层破碎带段隧道预留变形量建议取55～80 cm。考虑到大巴山区域地质构造复杂,断层带构造作用强烈且局部地下水丰富等,因而实际监测结果以及统计分析所提出的预留变形量远大于相关规范值。对于其他地区的千枚岩隧道,应根据具体的工程地质条件和监控量测数据对研究提出的预留变形量推荐值进行验证分析。