常天龙

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300251)

隧道开挖时,围岩因受到扰动而产生应力重分布,这将使应力状态由三维转变为近似二维,且围岩强度随之下降,当围岩强度低于重分布应力值时将被破坏,进而逐步形成一个松弛破碎带,松弛破碎带内岩体处于屈服状态,这个松弛破碎带称之为松动圈。现有的研究表明,围岩松动圈不是一成不变的,是随着隧道开挖施工的进行而不断变化的,最终达到稳定状态[1-2]。国外对于松动圈的研究起步较早,主要的理论成果有苏联的不连续学说,于永江等[3]对深部岩体中圆形巷道的非线性渐进破坏特征、变形以及巷道周边关键部位的位移和应力变化进行了分析,以巷道周边应力是否超过岩石的强度极限作为判别准则,确定松动圈的范围。赵彦钵等[4]则提出应用极限拉应变准则判别松动圈的位置。这两种方法均以松动圈的定义为基础,并在一定程度上考虑了岩体的受力和破坏特征,但缺乏定量标准,还需通过大量计算完善理论和量化标准。围岩松动圈大小及其变化特征是隧道支护结构设计及围岩稳定性评价的关键。通过理论计算所得的围岩松动圈大小是在基于各种假设条件下,将整个开挖断面围岩视作均质体进行计算的,相对而言现场测试的方法能更加准确地获得松动圈的大小,一般现场测量围岩松动圈大小的方法主要有声波法、地质雷达法、多点位移计法,使用声波法和地质雷达法只能得到某一时间点围岩松动圈大小,无法实现对围岩松动圈变化的长时间观测,使用位移计测量可以得到围岩松动圈连续的变化特征,数据准确。本次采用LVDT位移传感器,隧道爆破开挖后立即在拱顶、拱腰、边墙埋入传感器,测量不同位置不同深度围岩位移变化,取得的位移数据连续准确,实现了围岩松动圈的长时间监测。

1 松动圈现场测量

1.1 工程概况

现场测量依托于牡佳客专七星峰隧道,七星峰隧道位于黑龙江省佳木斯市,全长10 300 m,隧道最大埋深约420 m,为客运专线双线隧道。隧址地形起伏,山势陡峻,地表植被茂密,多为林地。隧道穿越的主要地层岩性为混合岩、片岩、变粒岩及大理岩。穿越多条断层,地下水主要为基岩裂隙水。为一级高风险隧道。

1.2 现场测试

松动圈位移测量采用LVDT位移传感器作为测量设备,LVDT位移传感器具有防水、抗腐蚀、耐低温,精度高的特点。位移计精度可达0.01 mm,工作温度-25～85 ℃,采用不锈钢外壳,全封闭结构。LVDT传感器后部为电磁线圈主体,突出的为可动端。

隧道开挖后,在断面拱顶、拱腰、边墙布置测量孔。一般来说测点越密,得到的数据越多,松动圈测量越准确,但不能无限多地布置传感器,为了减少不必要的浪费及工作量,根据开挖断面大小,围岩地质条件,参照同类工程预估松动圈大小,在预估松动圈范围附近加密布设以满足测量精度。

按照图1所示在钻孔内布设LVDT传感器,以钢筋作为测杆,孔底使用钢筋锚固剂将钢筋与目标深度围岩固定成整体,LVDT传感器通过固定支架固定于孔口,传感器自由端通过连接杆与测杆连接,使用封孔盖封孔,封孔盖预留电缆孔及数据光缆孔。

图1 LVDT传感器安装示意图

1.3 现场测试结果

DK308+905围岩级别Ⅳ级,埋深109.4 m,围岩为混合岩,弱风化,节理裂隙较发育,岩体较破碎,开挖后易掉块,掌子面自稳性一般,需加强支护,侧壁部分位置存在点状出水,水量一般,本次在拱顶、拱腰、边墙位置埋设位移传感器,总观测时长25 d。位移传感器埋设拱顶深度分别为1、1.5、2.5、3.5、4.5 m,边墙埋设深度分别为0.5、1.2、1.5、1.8、2.5 m。

现场拱顶及边墙实测位移数据如图2、图3所示。从实测位移数据上可以看到:边墙位移变化时间较早,在开挖支护后第4天便开始大幅度位移变化,拱顶在第7天位移开始产生大幅变化,第10天开始变形逐渐稳定,在15天左右开挖的断面基本趋于稳定,达到最大位移。监测数据反映:深度0.5 m的围岩整体最大位移在2.6～3.5 mm,总位移形变由大到小排序为边墙、拱顶、拱腰。综合分析本断面围岩松动圈范围在2 m左右,其中拱顶松动圈最小,边墙处位移最大。

图2 拱顶位移监测数据

图3 边墙位移监测数据

2 松动圈数值模拟分析

2.1 计算方法

七星峰隧道围岩松动圈数值模拟计算采用midas有限元数值计算。midas GTS NX软件中,可以通过“激活”和“钝化”功能来模拟施工过程中初支混凝土、钢拱架的施工和岩土体的开挖,当初支混凝土和钢拱架被“激活”时,初支、钢拱架施工得以实现,当岩土体被“钝化”时,岩土体的开挖得以实现。DK308+905断面围岩级别为Ⅳ级,建模假设围岩为均质岩体,连续介质,采用修正摩尔-库伦准则进行计算,岩体物理力学参数根据现场勘察取样试验结果及相关规范取值。围岩及支护结构计算参数见表1。

表1 围岩及初支结构计算参数

2.2 计算模型

参考各种介质特点,将围岩岩体定义为三维实体单元,喷射混凝土定义为二维板单元,锚杆定义为一维杆单元,其中混凝土根据其随喷射凝固时间的变化,分为初喷软质混凝土和初喷硬质混凝土单元。在计算过程中,首先进行岩体自身初始应力平衡验算,计算只考虑自重应力,不考虑构造应力,计算得到重力场下的初始应力场,初始重力场条件下的应力、应变显然与现实岩土体中的应力场存在偏差,因为实际条件下的初始位移已经结束,而软件模拟中在自身重力条件下仍会发生位移,然后在后续计算中位移逐渐累加,所以在模拟过程中,应先使初始应力平衡下产生的位移归零,然后随着隧道开挖,逐步实现围岩的位移累加,由此得来的计算结果与实际施工工况下的位移更接近,数值计算结果更准确。本次计算洞身上部围岩采用自重应力进行模拟,代表不同埋深条件下的围岩应力。隧道位于岩体介质中,应当把围岩视为支护结构的共同承载部分,也就是说支护结构和围岩共同组成静力承载体系。

DK308+905四级围岩开挖施工工法为台阶法施工,锚杆按照四级围岩支护设计进行均匀布设,洞身网格宽度1 m采用四节点四边形单元划分网格,网格由洞身向外尺寸逐渐增大。设置15个开挖循环,每循环开挖进尺2.4 m,模型上边界为开挖洞径3倍,下边界为洞径4倍,左右边界为洞径3倍,模型尺寸80 m×70 m×36 m。选用位移边界条件,对于模型四周采用位移约束。

2.3 数值模拟计算结果

通过数值模拟计算得到开挖后围岩整体位移云图、局部节点位移云图。将拱顶1、1.5、2.5、3.5、4.5 m位置节点开挖-位移变化曲线提取如图4所示。

隧道开挖后围岩受径向应力作用产生径向位移,发生弹性变形。围岩开挖后至第10个循环之间不同深度岩体位移逐步增加,在开挖至第10个循环后位移产生突变,随后达到稳定。拱顶各个深度节点数值模拟位移大小与现场实测数据接近,略小于现场实测数据。造成数值模拟数据略小的主要原因是现场爆破开挖,每循环爆破施工会对围岩产生振动影响,导致围岩局部扰动,实际位移一部分来自于开挖爆破扰动造成。

3 结 论

(1)位移测量围岩松动圈可获得连续准确的监测数据,是一种判定围岩松动圈范围最有效、最直观的方法,适用于任何地质条件下隧道围岩松动圈的监测。

(2)LVDT位移传感器具有抗腐蚀、抗低温等特点,适用于各种施工环境,实践证明可在隧道施工这种复杂环境条件下稳定工作,取得准确数据。

(3)围岩松动圈由弹性变形到塑性变形稳定是一个长时间的过程,本次试验结果显示塑性变形稳定需要10 d以上,故隧道初期支护措施施作后要进行一段时间的观测,建议保持密集观测时间15 d以上。

(4)本次现场实测和数值模拟计算反映了围岩岩体自开挖后至逐渐稳定的弹性变形至塑性变形的整个过程,开挖后岩体产生弹性变形,围岩位移快速增加,随后逐渐稳定进入塑性变形。本次实测和模拟计算得出DK308+905位置围岩松动圈范围在2 m以内。

(5)数值模拟结果与现场围岩松动圈变化实测结果基本一致,证明数值模拟可以应用于围岩松动圈的计算与评价中,可用于指导支护措施的设计及现场施工。