羊头山隧道开挖围岩稳定性监测分析

2022-08-09欧运平曹鲁鹏彭伟哲

甘肃科学学报 2022年4期

刘潇,欧运平,曹鲁鹏,彭伟哲

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉 430063; 2.中车轨道交通建设投资有限公司,北京 100036;3.台州台中轨道交通有限公司,浙江台州 318001)

2020年3月,城际高铁和城际轨道被纳入中共中央政治局常务会议中提出的“新型基础设施建设”项目中,我国新一轮城市轨道交通建设的高潮顺利开启。隧道在轨道交通建设中尤为常见,以矿山法隧道施工为例,主要施工工艺包括测量放线、爆破掘进、弃渣运输、支衬维护等[1]。矿山法隧道施工中,爆破掘进对隧道围岩稳定性造成扰动[2],必须事先对岩石进行验证,确定围岩等级、施工流程(台阶法、三台阶法、全断面法)等,因此对围岩稳定性开展监测十分重要[2-3]。

对隧道掘进中的围岩稳定性情况进行监测,不仅能确保施工过程安全,同时可以指导施工开挖方式。近些年,不断有学者对矿山法隧道掘进过程方法进行了优化研究[3-5]。本次研究基于羊头山地质力学特征,针对隧道的不同围岩等级进行稳定性分析和监测,通过数值模拟隧道围岩沉降、位移和埋深的关系,指导隧道开挖过程。

1 工况概述

浙江省台州市域铁路S1线为南北走向市域线[6-7],北起滨海新城头门港北,南至温岭市坎门镇,规划线路长度105.4 km。规划设站29座,其中换乘站1座,平均站间距3.8 km。S1线一期工程全长52.569 km,其中地下线长度17.214 km,山岭隧道3座,长度4.814 km,高架线长度29.221 km,路基长度0.587 km,桥隧比为98.87%。研究对象为S1线1期工程中第一座山岭隧道——羊头山隧道。

羊头山隧道全长854 m,设计为单洞双线转双洞双线模式,起讫里程为S1DK1+726,终点里程为S1DK2+580。其中S1DK1+726～S1DK2+400为674 m单洞双线隧道,S1DK2+400～S1DK2+580为180 m双洞双线隧道。该隧道地面最大高程99.3 m,最大埋深91.4 m。羊头山隧道采用矿山法施工,与西侧在建杭绍台铁路下山北隧道最小净距约为16 m,施工风险较大,需重点关注监测数据,指导施工进度和工艺。

2 围岩的地质力学特征

羊头山矿山隧道主要涉及中风化凝灰岩,共有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 4种围岩。S1DK2+400～S1DK2+580为180 m单洞单线隧道,分别有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 3种围岩。隧道施工方法主要包含“台阶临时仰拱法”、“台阶法”、“全断面法”、“三台阶临时仰拱法”和“三台阶法”。

地质构造和演化造成羊头山具有不同的围岩等级,山体内部岩石受人为因素扰动改变其内部应力状态,容易引起围岩变形和失稳,导致隧道开挖过程和后期运营期间存在较大安全隐患[4]。围岩变形是一个非线性且不可逆过程,在隧道施工期间对初衬的连续监测数据进行回归分析,可以判断围岩形变是否达到稳定,从而反映岩石内部应力是否重新平衡。在裂隙发育的围岩中,变形大小受围岩自身不连续面的方向、频率、强度、结构及赋存环境的综合影响,所以围岩强度(形变)必须综合考虑以上因素来评估实际围岩特性及变形参数以保证隧道正常开挖[7]。

3 矿山隧道掘进围岩稳定性分析

羊头山隧道围岩在开挖过程中,炸药产生的振动作用在周边围岩上,导致围岩形成裂痕,严重时会出现破裂。由于振动影响范围有限,远处围岩仍视为弹性介质[8]。因此,羊头山隧道围岩应力场采用经典的弹性力学模型,即隧道内岩体属于均匀连续介质,羊头山隧道围岩关键块受力情况如图1所示。图1中a为隧道开挖半径(m);r为隧道中心O到围岩裂痕的距离(m)。

图1 圆形隧道围岩应力状态示意图Fig.1 Schematic diagram of the stress state of thesurrounding rock of a circular tunnel

隧道在埋深约91 m处进行开挖时,不同围岩等级具有不同的侧压系数[9]。羊头山隧道顶部关键围岩块体的临界荷载与隧道埋深、洞径及关键块体高度有高度的相关性。

3.1 关键块体临界荷载

假定围岩关键块为长方体,其高度为h,底面长为b、宽为d,则掘进过程中存在扰动荷载时,关键块受力如图2所示。图2中G为关键块体自身重力(g);f1、f2为不同侧面受到的冲击力(MPa);关键块体上表面静态压力为Fr(N);荷载为Fd(N)。

图2 围岩顶部关键块体受力Fig.2 Stress of key blocks on the top of surrounding rock

根据刚体平衡原理[10],隧道掘进过程中关键块遇到扰动荷载时,侧向阻力受结构面壁岩的内摩擦角方向、粘聚力大小、抗剪力系数和结构面中凸起体大小和数量影响;当侧向阻力和冲击力达到临界平衡条件,刚体失稳,岩石发生破裂。

3.2 围岩支护阻力矩分析

取最大切应力区位于45°处的块体进行受力分析,如图3所示。根据弹性力学原理计算羊头山隧道围岩的剪切力。

图3 围岩最大切应力关键块体受力Fig.3 Stress on key blocks of the maximum shearstress of surrounding rock

剪应力在块体两侧呈径向平衡,导致块体发生剪切旋转[11]。在隧道掘进过程中,羊头山隧道围岩的掌子面存在不稳定因素,主要来自前方产生的滑动块体自重力矩Mf及滑动块体上方因隧道掘进产生松动区域的松动土压力矩MQ,将以上力对O点取力矩平衡,得到隧道开挖面的稳定系数σ:

(1)

其中:Mz为隧道开挖过程中所采取的约束措施产生的支护阻力矩(N·m);Mt为土体抗力矩(N·m)。在隧道开挖过程中不加约束时,预测隧道掌子面的稳定性,则隧道掘进面的稳定系数取1,其力矩平衡条件应满足Mt≥Mf+MQ(支护阻力矩Mz≤0)。当Mt0)才能保证掘进过程中掌子面的稳定。

4 稳定性监测验证

上述分析是在掌子面不采取任何支护情况下,从岩石内部应力状态判断隧道围岩稳定性。然而,实际在羊头山隧道施工过程中,采取了超前支护措施确保现场施工的安全。矿山法隧道掘进过程中对围岩变形开展动态监测,主要监测方法是在隧道围岩埋设监测点,通过采集监测点的坐标变化情况进而反应出隧道围岩变形情况。为此,在掘进初衬完成后应立即埋设监测点。图4、图5分别展示了台阶法和三台阶法在掘进的过程中监测点位置分布。

图4 台阶法测点布置示意图Fig.4 Schematic diagram of measuring pointlayout of step method

图5 三台阶法测点布置示意图Fig.5 Schematic diagram of measuring point layoutof the three-step method

进行有限元分析,构建围岩模型(见图6),根据实际羊头山隧道地质情况,由上至下依次划分:黏土层、泥质粉砂岩、砂质泥岩、中风化泥灰岩、中砂岩、细砂岩和含泥砂岩。进行围岩模型分析过程中,需要设定边界效应,设定为隧道两侧及下部分3倍洞径范围,上部到达真实地表。模型边界两测约束水平方向,底部约束竖直方向,上部为自由面。