随着我国对于基础设施投入的不断增长, 高速公路逐渐向地形地质条件极端复杂的西部山区转移。在这些地区修建高速公路, 通常需要开挖隧道, 施工环境极端复杂[1-3]。公路隧道进口常为浅埋段, 一般会存在软弱岩层甚至强风化堆积体[4], 这些岩层常常结构松散, 稳定性差, 遇水力学性质劣化, 对隧道开挖稳定性造成极大的威胁[5-7]。
自20世纪70年代新奥法技术进入我国以来, 已经成为在浅埋软岩段隧道进洞施工中的一种基本方法。新奥法施工以管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测为原则[8], 其中勤量测就是指在隧道施工全过程中, 应对围岩周边位移进行现场监控量测, 作为新奥法施工的一种重要手段, 能够实时反馈围岩和结构动态, 指导支护工作, 保障施工安全。通过监控量测, 可以获得隧道围岩、支护结构力学行为渐进变化过程的数据, 借助地质条件以及工程经验, 就可以对围岩稳定性进行评估, 并对关键部位开展超前地质预报分析, 作为隧道施工的理论指导依据。
目前, 针对隧道施工过程中围岩大变形及失稳原因的分析研究较多, 包括数值模拟[9-11]、理论分析[12-13]、灾变模型建立[14-16]以及算法分析[17-18], 而监控量测[19-22]作为一种能够实时反映围岩变形情况的方法, 结合现场地质情况可以较好地分析失稳事故的成因。隧道综合超前地质预报作为指导施工的重要技术手段, 我国学者在隧道超前地质预报方面开展了大量的研究和试验工作[23-24], 曲海峰等人[25]基于系统论的观点提出和建立了综合地质超前预报方法和思想体系, 并进行了实例验证。张庆松等人[26]提出了以地质分析为基础的岩溶隧道综合超前地质预报方体系, 并在沪蓉西高速齐岳山隧道等工程中得到了成功应用。本研究以隧道监控量测数据为基础, 辅以关键部位超前地质预报结果, 建立三维数值计算模型, 分析了隧道掘进过程中出现塌方以及大变形等失稳的致灾原因, 所得结论对类似工程具有一定的指导意义。
1 工程概况本研究隧道是拟建银川至北海高速公路建始(陇里)至恩施(罗针田)段上的一座分离式隧道。隧址区为峰丛坡谷洼地地形和低山陡坡地形, 溶蚀~构剥蚀地貌, 从属于低山区岩溶丘陵峰丛台地; 起讫里程桩号:左隧道ZK95+377~ZK97+815, 长2 438 m, 右隧道YK95+415~YK97+819, 长2 404 m, 为长隧道。隧道最大埋深约246 m, 洞轴线方位角210°。左线进口位于R-1500的圆曲线上, 洞身接A=520的缓和曲线和直线, 再接A=600的缓和曲线, 出口位于R-1800的圆曲线上; 右线进口位于R-1500的圆曲线上, 洞身接A=520的缓和曲线和直线, 再接A=520的缓和曲线, 出口位于R-1500的圆曲线上。最大超高2%, 隧道全线位于-2.35%的单向坡上。
隧道所处地质条件较差, 地质结构复杂, 地层岩性多变, 围岩自稳能力差, 存在岩溶、崩坡积层等不良地质; 隧道穿越煤系地层, 有可能存在瓦斯等有毒气体, 施工难度很大, 如图 1所示为隧道地形剖面图。
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图 1 隧道地质剖面示意图 Figure 1 Sketch of geological profiles of the tunnel |
2016年12月初, 湖北省恩施市地区出现持续降雨, 致使隧道进口右洞YK95+480~YK95+506断面出现向洞内挤出的大体积软弱破碎围岩体, 其中掌子面断面YK95+506出现塌方, 如图 2所示。
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图 2 隧道进口右洞YK95+506段塌方 Figure 2 Picture of collapse of right tunnel in YK95+506 |
为了保证施工安全, 防止洞内发生塌方、洞外仰坡失稳, 有必要在洞内外开展全方位、全过程现场位移以及地表沉降监测。针对进口浅埋段围岩情况, 根据有关设计要求与规范, 在隧道间隔5~10 m断面处布置监测点, 监测围岩和支护结构在隧道掘进过程中的实时变化情况。主要量测内容有:地表沉降、拱腰收敛和拱顶沉降等监测项目, 监测点布设情况如图 3所示。其中, 塌方及大变形段有三处监测断面, 监测数据时间为2016-11-29~12-25。监测结果如图 4、5所示, 在降雨期间拱顶下沉, 右侧拱顶有明显的偏移, 边墙混凝土出现裂缝并产生变形, 掌子面出现坍塌, 隧道掌子面附近在2016-12-02、3、4的拱顶沉降分别为5.307、6.825、1.453 mm/d, 为有效控制沉降通过二次支护、注浆等方法, 各监测点在2016-12-04~12-07之间逐渐稳定, 在2016-12-08 YK95+498断面更换钢拱架, 附近监测断面拱顶沉降量连续4 d出现较大波动, 分别是3.317、2.567、1.025、2.401 mm/d, 拱架更换完成后沉降进一步稳定, 无较大沉降。
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图 3 隧道洞内监测点布置示意图 Figure 3 Schematic picture of layout of right monitoring sites |
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图 4 YK95+490断面水平收敛与拱顶下沉曲线 Figure 4 Horizontal convergence and vault settlement curve of YK95+490 section |
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图 5 YK95+498断面水平收敛与拱顶下沉曲线 Figure 5 Horizontal convergence and vault settlement curve of YK95+498 section |
塌方、变形事故的发生往往是与隧道地质情况息息相关, 为此本研究选取隧道进口YK95+480掌子面的一次短距离地质雷达探测结果进行分析。掌子面岩体以中~强风化灰岩为主, 围岩完整性较差, 节理裂隙发育, 局部破碎。现场实测后处理的雷达波形图如图 6所示。分析结果表明:掌子面前方里程桩号YK95+482~YK95+490范围内, 雷达发射信号强烈, 推测该处围岩破碎, 节理裂隙发育。掌子面前方里程桩号YK95+494~YK95+498范围内, 反射界面增多, 推测该处围岩节理裂隙发育, 裂隙中夹杂泥质, 局部含有土夹石。掌子面前方里程桩号YK95+500~YK95+504范围内, 雷达反射信号异常, 推测该处岩体稳定性较差, 可能存在松散破碎带。
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图 6 处理后的雷达波形图 Figure 6 Processed geological radar reflectivity waveform |
而实际开挖掌子面揭露也不难发现, 事故区域内围岩较硬、极破碎, 呈薄层状结构岩体, 完整性较差, 孔隙裂隙及节理裂隙十分发育; 如图 7所示拱顶局部区域存在土夹石及炭钙质页岩, 为易坍塌体, 遇水围岩力学性质劣化, 自稳能力差, 可将围压级别归为Ⅴ级。另一方面, 如图 8所示, 由于该段洞身为浅埋段, 受裂隙发育影响, 降雨时洞内会产生大规模珠状渗水现象; 受拱顶右上方地表水体影响, 该段洞身局部区域有线性流水。
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图 7 拱顶局部存在土夹石及炭钙质页岩 Figure 7 Soil-rock and carbon calcareous shale existed in part of vault in tunnel |
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图 8 降雨及地表水渗水 Figure 8 Rainfall and seepage of surface water |
(1) 计算模型建立
本次模拟依据地质雷达探测结果以及现场实际开挖揭露地质条件建立三维数值计算模型, 模型长、宽、高分别为60、60、70 m, 隧道轮廓为四心圆拱形, 跨度为11 m。分析处理后的雷达波形图, 围岩破碎区域为隧道斜上方延轴线分布的不规则柱状体, 在此将其简化为长方体, 高度为7 m、长度为20 m, 设置在隧道中间拱顶右上方位置, 模型如图 9(a)、(b)所示。
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图 9 模型示意图 Figure 9 The tunnel model |
围岩参数采用Ⅳ级围岩, 弱化软弱破碎区域的力学参数, 应用Mohr-Coulomb屈服准则, 并采用弹塑性模型进行求解。具体计算参数如表 1所示。
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表 1 围岩参数 Table 1 Surrounding rock mechanics parameters |
(2) 计算结果分析
裂隙破碎带发育区域对隧道围岩的作用分为两方面:一方面破碎带的存在严重削弱了围岩的整体性, 减小了岩体刚度, 使隧道开挖过程破碎围岩位移释放率增加; 另一方面破碎带的存在使其周围围岩应力在开挖之前得到部分释放, 减弱了开挖过程的应力集中, 出现了应力低值区, 随着隧道开挖塑性区逐渐扩展, 围岩右侧位移明显高于左侧, 隧道围岩破碎区域段位移变化如图 10所示。
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图 10 隧道开挖过程位移变化 Figure 10 Time-history curve of displacement during excavation of tunnel |
为了更加全面地研究隧道开挖过程围岩的应力释放过程, 选取第12、15、18步开挖步(已揭露围岩软弱破碎区域)的应力及塑性区展布云图作为围岩整体特征分析对象。
计算结果如图 11~13, 分析可知:随着隧道开挖, 在未考虑洞壁支护条件下隧道拱底与边墙洞周均出现明显塑性区, 且伴随掌子面逐渐靠近围岩破碎区域, 边墙塑性区域范围逐渐扩大并向围岩破碎区转移, 围岩完整性大大降低。破碎围岩区域出现应力低值区, 随着隧道开挖破碎围岩逐渐揭露, 应力低值区域范围逐渐扩大。围岩破碎区域位移均有所增加, 其中拱顶和拱肩(破碎区)竖向位移增大较显著, 右侧拱腰位移比左侧大。
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图 11 隧道开挖过程塑性区分布 Figure 11 The distribution diagram of plastic zone |
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图 12 隧道开挖影响下的围岩最大主应力云图 Figure 12 Nephograms of the maximum principal stress |
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图 13 隧道开挖影响下的围岩Y方向位移云图 Figure 13 Nephograms of vertical displacement during excavation |
(1) 不良地质结构
由于拱顶局部区域存在的土夹石及炭钙质页岩的结构松散, 颗粒间胶结性能差, 岩体自稳性差, 隧道开挖后形成临空面, 围岩破碎区域应力急剧释放为塌方提供了有利条件。
(2) 降雨
受降雨入渗影响, 一方面围岩遇水力学性质劣化, 降低了岩石强度; 另一方面渗流作用不断剥蚀、冲刷围岩, 破坏岩体完整性, 使围岩呈现更不稳定状态, 产生塑性变形或崩解, 引起塌方及大变形。
(3) 地表水
开挖形成了新的自由面, 加之该段围岩破碎具备一定的透水能力, 形成了地表水新的排泄通道, 因此在洞身周围形成渗流, 产生了渗压梯度, 形成一种指向洞内, 且不对称的附加体积力, 增加了围岩向洞内运动的趋势。破碎围岩区域在渗流作用下处于饱和状态, 大大降低了岩石的变形模量和强度, 岩石屈服强度降低。向内的围岩压力超过了劣化后围岩屈服强度, 围岩向洞内塑性挤出, 形成大变形。
不良地质结构是隧道发生塌方和大变形的主要原因, 降雨以及周边含水体加强了浅埋软岩隧道围岩的不稳定性, 因此隧道建设过程出现大面积渗水现象时应充分做好防排水工作以及支护措施, 缩短监测量测周期, 预防灾害的发生。在条件允许的情况下, 建立基于地质勘察资料、监控量测数据、超前地质预报等信息的综合预警体系, 对于提高围岩稳定性评估、安全可靠的进行隧道施工亦是非常重要的。
5 结论(1) 依托实际工程, 针对隧道浅埋软岩段发生塌方和大变形问题, 分析开挖、支护注浆、换拱等施工过程中现场监控量测数据, 对关键部位开展超前地质预报分析灾害发生原因, 并依据地质雷达探测结果建立三维数值计算模型, 有效避免了数值模型建立的盲目性, 是在隧道监控量测方面有益的探索与尝试, 对于实现隧道信息化施工具有重要意义。
(2) 数值计算结果表明:拱底与拱顶均出现明显塑性区, 伴随掌子面逐渐靠近围岩破碎区域, 塑性区范围逐渐扩大并向拱顶右向及围岩内部转移, 围岩破碎区域竖向位移显著增大, 围岩完整性大大降低。从地质构造、降雨及地表水入渗等三个方面分析隧道浅埋段发生塌方大变形, 不良地质构造是其发生主要原因, 降雨和地表水入渗劣化围岩力学性质加速塌方大变形灾害的发生。
(3) 针对隧道五级围岩浅埋段施工, 建立基于地质勘察资料、监控量测数据分析的综合预警体系, 对关键部位开展超前地质预报工作, 正确指导注浆治理等塌方灾害防治措施, 对于隧道安全施工具有重要意义。
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