大断面砂质板岩隧道围岩动态设计分析——以道吾山特长隧道为例

袁枫斌, 陈文智, 何东芝

(北京建达道桥咨询有限公司, 北京 100195)

20世纪90年代以来,我国公路隧道建设迎来快速发展期,随着隧道里程在公路长度中所占比例越来越大,隧道的建设规模与结构形式更是变得多种多样。单车道隧道首次出现在历史舞台中,随着时间的推移逐渐发展为双车道隧道,之后不断地向着三车道、四车道隧道进发。随之而来的是山岭隧道的开挖方法的改进,从最初始的传统矿山法不断优化为新奥法及掘进机法(tunnel boring machine,TBM)。但是,目前现有的公路隧道规范及技术文件在施工开挖方法设计方面仅对双车道隧道及三车道隧道做了明确规定及说明,而四车道超大断面隧道施工开挖方法设计并未有规定。隧道施工开挖方法与隧址区围岩设计有极其密切的联系,因此,隧道围岩动态设计尚需更加深入的研究总结。隧道工程属于隐蔽性工程,在设计过程中按照相关规范要求,并在继承初步勘察成果基础下完成隧道的勘察工作,在此基础上进行隧道工程设计。但对于目前公路隧道勘察设计手段,任何隧道都无法精准预测其围岩等级,这是由地质勘查不确定性所导致的。因此,针对隧道工程的围岩动态设计十分有必要。针对隧道围岩动态设计,国内外学者已做了部分研究。马超峰等[1]首先希望建立起数学模型Bieniawski模型,之后进一步指定影响围岩分级的各个因素的影响权重;随后针对围岩动态分级影响因素进行打分,用字符RMD表示该评分,当然在评分过程中需要明确各因素的定性特征和定量指标,同时要针对各个影响因素指定相应的评分区间,最后进行围岩动态分级研究。经过一系列研究后发现,用字符RMD表示的评分与[BQ]值变化规律相似,整体呈线性关系,并且采用该方法进行分级后的结果与BQ法有很好的贴合性。张辉[2]主要考虑隧道信息化施工原则,通过一系列试验、数值模拟等综合手段,着重分析了高速公路隧道的围岩稳定性,针对正处于施工过程中的高速公路隧道围岩动态分级进行深入探讨。王宇[3]在现场进行了较多的室外试验,并结合室内试验的方法,深入研究了如何进行围岩分级参数指标,以此方法进行围岩动态分级。还有学者以勘察资料为基础进行地质情况分段,并结合物探手段探测成果指标以及物探偏移图像为基础,组成机器学习训练样本;然后,建立计算机深度学习训练框架及训练样本,进而开始围岩等级的预测,建立围岩类别预测模型;最后,结合隧道新开挖段落围岩情况逐渐地完善与改进已经建立的模型。但目前的研究成果只揭示了围岩动态分级的影响因素及指标参数,并未建立起统一的隧道围岩动态设计体系,从而使隧道工程设计存在安全性不足或者经济浪费的现象。

道吾山特长隧道为上、下行分离式六车道一级公路隧道。隧址围岩岩体为强风化砂质板岩、中风化砂质板岩、微风化砂质板岩、强风化花岗岩,中风化砂质板岩为隧道洞身段围岩的主要组成部分,砂质板岩地层占隧道总长的90%,根据地质调查及钻孔揭露岩体情况显示,砂质板岩岩质较硬,岩体较完整。隧道紧急停车带设计净宽17.69 m,设计净高11.16 m,扁平率为0.63,开挖断面最大面积为163.55 m2,属于低扁平率大断面隧道。以道吾山特长隧道为依托工程,综合隧道围岩动态设计的各个影响因素,采用统计学公式,结合现场实际强度检测试验结果及现场掌子面围岩实际情况,针对大断面砂质板岩隧道围岩分级进行分析,提出切实可靠的围岩动态分级指标,建立大断面砂质板岩隧道围岩动态设计体系,期望达到围岩动态设计的目的,使隧道设计更符合实际情况,更经济合理,进而使隧道工程价值功能最大化。

1 隧道围岩动态设计影响因素

1.1 围岩饱和抗压强度

在整体结构的岩体中,控制围岩稳定性的主要因素是岩石的力学性质,尤其是岩石的强度。一般来说,岩石强度越高坑道越稳定。在围岩分类中所说的岩石强度指标,都是指岩石的单轴饱和极限抗压强度,因此,围岩饱和抗压强度从根本上影响围岩等级。围岩强度与围岩等级呈正比例关系。跟随隧道开挖,在现场进行饱和抗压试验。进口段ZK1+527～ZK1+877取样6个,经饱和抗压试验得围岩饱和抗压强度分别为45、37、67、35、66、79 MPa,标准值为39 MPa。出口段ZK5+507～ZK5+677取样8个,经饱和抗压试验得围岩饱和抗压强度分别为93、28、98、85、47、32、100、82 MPa,标准值为51 MPa。从这些试验数据可知,道吾山隧道进出口围岩饱和抗压强度均大于30MPa,围岩抗压强度较高,均属于硬质岩范围。

1.2 围岩完整性

岩体的结构特征是长时间地质构造运动的产物,是控制岩体破坏形态的关键。从稳定性分类的角度来看,岩体的结构特征可以简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示。在某种程度上它反映了岩体受地质构造作用严重的程度。实践证明,围岩的破碎程度对隧道的稳定与否起主导作用,在相同岩性的条件下,岩体越破碎,坑道就越容易失稳。因此,在近代围岩分类法中,都将岩体的破碎或完整状态作为分类的基本指标之一,因此,围岩完整性性状也直接影响围岩等级划分[4]。岩体完整性系数(Kv)可以表达围岩完整性,因此针对不同的工程地质岩组、段落,认真选择十分具有代表性的开挖断面,采用测试岩体弹性纵波速度,并在同一岩体中间取样测定该段落岩石纵波速度的方法,计算Kv值,以此确定围岩完整性。

选取进口段ZK1+527～ZK1+877及出口段ZK5+507～ZK5+677,采用物探法分别测定两段岩体纵波波速为3 500 m/s、4 400 m/s,进而计算得到进口段岩体完整性系数(Kv)为0.60,出口段岩体完整性系数(Kv)为0.65。且采用三台阶拉中槽分步开挖时,开挖拱顶+中槽后,拱顶沉降及收敛均开始增加,且开挖前7天内隧道结构变形变化速率较快,拱顶沉降与水平收敛变形值极为接近,均达到了6 mm。随着后续的部分不断开挖,以及初期支护的进一步加固隧道结构,拱顶沉降及水平收敛变化趋于稳定,但是拱顶沉降累计变化值大于水平收敛累计值,两者趋于稳定时相差约1 mm,但是变形值均趋于稳定。由此可见,进出口段围岩完整性及稳定性较好。

1.3 地下水

隧道施工建设过程中,地下水的影响是不可忽略的。首先地下水的渗漏,由于水是有张力的,受到水张力的影响,地下水逐渐向下渗漏,会影响隧址区围岩情况,因此,地下水的状态也很大程度地影响着围岩等级的划分,同时隧道穿越的山体的构造、地层情况、岩石性质等因素又进一步控制了地下水的类型及富水状况。通过地质学的研究,可以在分析地层岩性及含水孔隙类型的基础上,针对地下水进行类型划分,具体可划分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、碳酸岩岩溶水。道吾山特长隧道隧址区范围内地下水以第四系松散堆积孔隙水、风化基岩裂隙水为主。道吾山特长隧道随着现场掌子面开挖,发现地下水出水情况为潮湿或点滴状出水,掌子面较干燥。现场开挖的岩面出水情况如图1所示。

图1 现场开挖断面

1.4 主要软弱结构面产状

软弱结构面在隧道施工中的力学特性变化也极其重要。众所周知,岩体均有不同的地层产状,而不同的产状,对隧道结构施工中的稳定性影响也不同,比如岩层倾向为顺层时,对隧道掌子面开挖稳定性极其不利。因此,在围岩动态设计过程中还需要考虑软弱结构面产状及其与隧道洞轴线的组合关系是如何影响围岩等级的划分问题。当现场发现的软弱结构面走向与隧道洞轴线夹角较小,就说明软弱结构面的倾角越小,进一步推导出围岩岩体质量指标越小,从而导致围岩等级越低。道吾山特长隧道随着现场掌子面开挖,围岩不断揭露,发现进出口段围岩整体呈层理板状构造,软弱夹层少,且产状与洞轴线夹角较大[8-10]。

1.5 初始应力状态

围岩的初始应力状态场是影响隧道围岩的破坏、变形及稳定性的最基本的作用力,当隧道开挖时,围岩的初始应力状态受外力影响发生变化,进行应力重分布,当岩石强度较高时,且在掌子面开挖过程中频繁地伴有岩爆现象发生,洞壁岩体有剥离和掉块现象,掌子面开挖后新生裂缝增多,说明围岩整体初始地应力高,成洞性差,在围岩动态设计中应着重考虑。道吾山特长隧道随着现场掌子面开挖,围岩不断揭露,发现进出口段围岩成洞性较好,开挖后无岩爆、掉块现象发生。

2 隧道围岩动态设计体系

综合分析前文围岩分级影响因素,采用隧道围岩动态设计体系对依托工程道吾山特长隧道围岩进行动态优化设计,以此为依托,进一步验证本文的隧道围岩动态设计体系。

2.1 围岩饱和抗压强度修正标准值

测定围岩饱和抗压强度时,需要进行现场取样。由于圆形试样具有轴对称性,试样应力分布均匀,在室内试验时加工方便,因此规定直径为50 mm+2 mm,高度为直径2.0倍的圆柱形试样作为标准试样。采用该标准试样进行室内单轴饱和抗压强度试验,进而得到围岩饱和抗压强度值。

考虑到部分取样试件若为立方体时,则需要进行围岩饱和抗压强度修正。依据《公路工程岩石试验规程JTG E41—2018》中公式(1)进行换算[11]。

Re=8R/(7+2D/H)

(1)

式中:Re为抗压强度换算值;R为立方体单轴饱和抗压强度值;D、H均为立方体试件边长。

基于取样得到的围岩单轴饱和抗压强度数据,计算出该试样组数据平均值与标准差,采用试样组数据标准差除以平均值得到试样组数据变异系数δ。之后采用统计学公式,即式(2)计算出试样组数据围岩饱和抗压强度修正标准值。

(2)

式中:γs为围岩饱和抗压强度修正标准值;n为试样组单轴饱和抗压强度值个数;δ为试样组数据变异系数。

2.2 岩质围岩基本质量指标修正

基于前文分析,得到试样组数据围岩饱和抗压强度标准值后,进行围岩基本质量指标BQ值的计算及其修正。

依据《公路隧道设计规范 JTG 3370.1—2018》中针对围岩基本质量指标BQ的计算规定,采用围岩饱和抗压强度修正标准值代入式(3)进行BQ计算[12-15]。

BQ=100+3γs+250Kv

(3)

式中:BQ为围岩基本质量指标;γs为围岩饱和抗压强度修正标准值;Kv为岩体完整性系数。

在进行了初步的岩体分级基础上,还需要进一步认真考虑地下水、主要软弱结构面产状及初始应力状态等修正因素对围岩最终分级的影响,综合考虑完上述因素影响后针对岩体基本质量指标BQ值进行修正,得出岩体基本质量指标修正值[BQ],[BQ]值依据《公路隧道设计规范 JTG 3370.1—2018》中公式(4)进行修正。

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(4)

式中:[BQ]为围岩基本质量指标修正值;BQ为围岩基本质量指标;K1为地下水影响修正系数;K2为主要软弱结构面产状影响修正系数;K3为初始应力状态影响修正系数。

2.3 隧道围岩动态设计

结合前文修正后得到的[BQ],同时综合考察岩体的定性、定量特征,最后进行最终综合评判,确定围岩详细分级,从而建立起隧道围岩动态设计体系。

以依托工程道吾山特长隧道围岩分级为例,进一步验证前文建立的隧道围岩动态设计体系。

道吾山特长隧道左洞起讫里程桩号为ZK1+390～ZK6+052,长4 662 m,隧道右洞起讫里程桩号为YK1+390～YK6+056,长4 666 m。左右双洞相加9 328 m。该隧道在设计阶段中隧道围岩分级状况见表1。

结合现场情况,由于现场开挖过程中围岩完整性较好,掌子面干燥,围岩强度较高,超前地质报告前方地质情况也较好。随着现场掌子面开挖,现场取样进行室内饱和抗压试验。进口段ZK1+527～ ZK1+877取样6个,经饱和抗压试验得围岩饱和抗压强度试样组数据分别为45、37、67、35、66、79 MPa。出口段ZK5+507～ZK5+677取样8个,经饱和抗压试验得围岩饱和抗压强度试样组数据分别为93、28、98、85、47、32、100、82 MPa。采用公式(2)分别计算得到进口段与出口段围岩抗压强度修正标准值为39 MPa、 51 MPa。之后依次采用式(3)、式(4),综合考虑地下水、主要软弱结构面产状及初始应力状态等修正因素的影响,得到[BQ]值之后,基于计算结果针对施工图围岩设计情况进行动态设计优化,优化结果如表2所示。

由表2可知,经过前文建立的隧道围岩动态设计体系优化围岩设计后,Ⅴ级围岩减少1 400 m,Ⅳ级、Ⅲ级围岩分别增加280 m、1 120 m,可节约造价约7 000万元,经济效益明显。

3 结论

围岩动态设计体系影响参数包括围岩饱和抗压强度、完整性、地下水、软弱结构面产状及初始应力。

表1 隧道围岩级别长度表

表2 隧道围岩动态设计体系优化成果

通过现场取样得到的试样组围岩单轴饱和抗压强度数据,进一步计算出该试样组数据平均值与标准差,采用试样组数据标准差除以平均值得到试样组数据变异系数。之后采用统计学公式,计算出试样组数据围岩饱和抗压强度修正标准值。

基于围岩饱和抗压强度修正标准值,综合分析前文围岩分级影响因素的影响,修正BQ值,同时综合考察岩体的定性、定量特征,最后进行最终综合评判,确定围岩详细分级,从而建立起隧道围岩动态设计体系。

基于本文建立的隧道围岩动态设计体系,类似隧道工程可结合实际勘察成果,隧道建设过程中进一步优化围岩等级及支护措施,进而达到设计合理、经济效益明显的目的。