冰水堆积体隧道围岩分级与支护力确定方法.pdf

文章编号：1007-2993（2024）02-0132-05冰水堆积体隧道围岩分级与支护力确定方法冰水堆积体隧道围岩分级与支护力确定方法陶琦（中铁十九局，江苏无锡214000）【摘要】为定量评价冰水堆积体围岩参数，提出一种冰水堆积体围岩快速分级方法，并给出冰水堆积体的变形控制标准，主要包括：（1）根据规范的相关计算方法，结合国外相关规范与冰水堆积体的基本特性和地貌特征，对设计阶段围岩进行分级；（2）根据土体密实状态、细粒含量以及细粒含水率，对施工阶段围岩进行分级，将冰水堆积体分为 3 个基本等级，4 个亚级；（3）根据地下水与围岩胶结情况提出最终的围岩分级；（4）基于冰水堆积体隧道围岩分级，计算了不同围岩等级下的围岩特性曲线以及隧道允许变形量，从而提出基于允许变形量的隧道支护力确定方法。研究成果可以为冰水堆积体隧道围岩的分级、支护力的确定等提供参考。【关键词】冰水堆积体隧道；围岩分级；变形控制标准；隧道支护力【中图分类号】U452.1+2 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2024.02.002Classification of Surrounding Rock and Support Force Determination of IceWater Accumulation TunnelTao Qi(China Railway 19th Bureau,Wuxi 214000,Jiangsu,China)【Abstract】To quantitatively evaluate the surrounding rock parameters of ice water accumulation body,a rapid classificationmethod of surrounding rock of ice water accumulation body was proposed,and the deformation control standard of ice water accumula-tion body was given,which mainly includes the following contents:(1)the surrounding rock was classified in the design stage accord-ing to the relevant calculation methods of specifications,combined with the relevant foreign specifications and the basic characteristicsand geomorphic characteristics of ice water accumulation body.(2)According to the dense state of soil,fine particle content and fineparticle water content,the surrounding rock in the construction stage was classified.The river ice water accumulation body was di-vided into three basic grades and four sub grades.(3)According to the cementation between groundwater and surrounding rock,the sur-rounding rock classification was put forward.(4)Based on the classification of surrounding rock of ice water accumulation tunnel,thecharacteristic curves of surrounding rock and the allowable deformation of tunnel under different surrounding rock grades were calcu-lated,and the determination method of tunnel support force based on the allowable deformation was proposed.The research results canprovide a new reference for the classification of surrounding rock and the support force determination of ice water accumulation tunnel.【Key words】ice water accumulation tunnel；surrounding rock classification；deformation control standard；tunnel support force 0 引言冰碛土是冰川活动期间产生的一种特殊地层，由大量碎屑物组成，这些碎屑物通常由巨大的石块和细小的泥质胶结而成，没有明确的分类。其排列没有固定方向，呈扁平或长条状，或有明显的棱角，有的甚至会有磨光面或冰擦痕。国内外学者运用现场试验、数值模拟与理论解析的方法对冰水堆积体展开了一系列的研究。谢亦朋等1基于数字图像技术与离散元方法探讨了冰水堆积体围岩的破环特征与破环形式；冯文凯等2基于现场模拟试验测定冰水堆积体的渗透系数以及含水率对抗剪强度的影响；孙兴伟等3通过大型三轴试验提出西藏高寒地区非均质粗颗粒土改进本构模型的建立；王盛年等4采用单轴压缩数值模拟的方法研究不同含石率的应力应变的变化以及单轴状态下极限剪应力区的分布与变化；祁昊等5通过现场剪切试验探讨冰水堆积体非饱和强度特性，通过定量方法描述其黏聚力和含水量之间的相互作用。王琦等6采用现场大剪试验对不同土石性质和不同含水率的冰水堆积体进行试验，最后通过邓肯张双曲线模型对 作者简介：陶琦，男，1976 年生，汉族，辽宁阜新人，硕士，高级工程师。研究方向：岩土工程。E-mail： 第 38 卷第 2 期岩土工程技术Vol.38 No.22024 年4 月Geotechnical Engineering TechniqueApr，2024得到的应力应变进行拟合；涂国祥7介绍了冰水堆积体的分布、成因、沉积特点、结构特点、工程性质、形成历史过程；杨彬8和张振9调查了西藏林芝地区冰水堆积体的沉积特征、颗粒组成和结构特征；黄家华10对四川理县桃坪的冰水堆积体进行了详细的研究，包括其物理和力学特性以及发展历史。在冰水堆积体的物理力学特性方面，周航11通过室内试验研究了雅鲁藏布江大古河段冰水堆积体的含水率、级配、最大干密度、最佳含水率和压缩模量等，提出适用于此类土体的本构模型。目前，大部分冰水堆积体的研究主要针对其围岩特性与稳定性，然而对冰水堆积体的围岩分级及变形控制标准未做深入研究，另外，拉林铁路上的冰水堆积体的研究仍然有限，主要是由于对其地质特征的理解有限，缺乏有效的围岩预处理和隧道结构的设计依据，以及缺乏有效的地质预测和施工经验。因此，研究这类情况的解决方案，如对其围岩的等级划分和对其支撑结构的受力和变形的控制，就显得极其必要。本文以林芝地区米林隧道穿越冰水堆积体段为背景，通过归纳整理已有围岩分级方法，提出冰水堆积体的围岩分级方法，得到隧道变形控制标准与基于变形控制标准的支护力。1 工程概况冰水堆积物由第四纪冰川的融化而产生，在自然外力的作用下会迅速聚集（见图 1）。冰水堆积物既拥有普通的粗粒土的性质，如密度大、抗剪强度高、渗透性好等，又拥有不同于普通粗粒土的特殊性质。在建的川藏线拉林（拉萨林芝）铁路共 6 座隧道穿越富水冰水堆积体，总长近 2600 m。新建川藏铁路拉萨至林芝段米林隧道全长 11560 m，中心里程为D2K383+891，进 口 里 程 D2K378+111，出 口 里 程D2K389+671，其中靠近出口里程 D2K387+305DK387+795 段洞身地层为冰水堆积体。2 米林隧道围岩分级 2.1 冰水堆积体隧道设计阶段围岩分级方法定性分级方法是初勘阶段采用的主要分级方法。初勘阶段主要目的是确定隧道方案，并为隧道初步设计提供必需的地质资料。在该阶段，主要通过对地质区域的调查、测绘，一般采用对工程区域内地表露头的勘察或采用简单的揭露手段来查明工程区域内地形、地貌、岩性、地质构造等情况，并由此推断不完全显露或隐埋深部的地质情况，依据调查指标与围岩分级指标间对应关系，最终进行围岩定性分级。针对冰水堆积体，根据隧道所处地区首先进行定性分类。米林隧道处于林芝地区，该隧道应满足林芝地区冰水堆积体的基本特征，然后以隧道所处位置地表的地形地貌情况进行再次定性分析。图 1 野外暴露的冰水堆积体地貌 本地区冰水堆积体大致划分为 5 大类：（1）卵石（碎石）类冰水堆积体：露头堆积体发育有韵律夹层现象，巨粒含量大于 75%，漂石含量50%，且填充物质主要为砂和砾石，黏土含量比较少，胶结性较差或者无胶结。（2）混合土卵石（碎石）类冰水堆积体：堆积体附近植被茂密，堆积体用锤子难以刨动，大小颗粒混杂，无分选，巨粒含量 50%75%，其中漂石含量小于等于 50%，充填物主要为砾石、砂、黏土，泥质胶结，且胶结程度较好，中密。（3）卵石（碎石）混合土类冰水堆积体：堆积体被植被覆盖，堆积体颜色为灰褐色、土黄色或者灰黄色，稍湿湿，中密密实状，骨架成分混杂，无分层现象，用锤子难以刨动，巨粒含量 15%50%，其中漂石含量小于卵石含量，砂砾含量较多，能起到一定的骨架作用，卵石含量相对较少，夹杂在砂砾石中，粗颗粒接触较好，孔隙主要被细粒的黏性土充填，泥质胶结，胶结程度好，在研究区内分布范围较广。（4）砾石土类冰水堆积体：堆积体巨粒含量小于 15%，粗颗粒主要为 2060 mm 的砾石，含量在 50%以上，填充物主要为砂和黏土，泥质胶结，胶结程度较弱。（5）砂砾石土类冰水堆积体：堆积体植被茂密，骨架颗粒主要以强弱分化状的亚磨圆卵石和次棱角状的砾石为主，胶结程度较弱，偶见细砂和粉砂夹层厚度较薄，多见含细粒土砾透镜体，且巨粒含量小于 15%，粗颗粒主要为 0.07560 mm 的砂和砾，含量在 75%以上，其余为黏土等物质充填。2.2 冰水堆积体隧道施工阶段围岩分级方法施工阶段隧道围岩已开挖揭露，获取的围岩地质信息最为直观、可靠，在该阶段进行围岩分级也可采用定性分级。冰水堆积体属于碎石土，围岩分级首先采用定性分级方法。根据碎石土围岩指标值组合分组情况及其围岩暂时自稳跨度研究成果，结合围岩稳定性评价标准，得到碎石土围岩定性分级方法见表 1。陶琦：冰水堆积体隧道围岩分级与支护力确定方法133 表 1 冰水堆积体定性围岩分级方法围岩级别相对密度细料含量/%细料含水量/%围岩状态定性描述基本级别亚级定性描述1密实Dr0.733014一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块石土，胶结程度较好，巨粒含量50%，充填物主要为砾石、砂，黏土含量较少2密实Dr0.7330141中密0.49Dr0.733018稍湿至湿的碎石土、卵石土、圆砾、角砾土，巨粒含量15%，粗颗粒主要为2060 mm的砾石，含量50%以上，填充物主要为砂和黏土，泥质胶结2中密0.49Dr0.733018稍密Dr0.49稍湿至湿且较松散的碎石土、卵石土、圆砾、角砾土，巨粒含量15%，粗颗粒主要为60 mm的砂和砾，含量在75%以上，其余为黏土等物质充填，无胶结 综合以上分析，米林隧道冰水堆积体围岩分级表如表 2 所示，本次围岩物理力学指标统一采用重度、变形模量 E、泊松比、黏聚力 c、内摩擦角 进行数值试验。通过对不同类型的岩石的硬度、构造特征以及结合程度的综合考量，结合数值模拟确定每种组合方式的最佳变形模量 E、泊松比、黏聚力 c、内摩擦角。综合每一个亚级围岩的所有组合情况下的细观参数。确定了岩质隧道不同等级的围岩物理力学特性值如表 3 所示。3 变形控制标准与物理力学指标体系为了获得冰水堆积体隧道围岩变形控制标准或允许位移分布范围，对铁路隧道监控量测技术规程(Q/CR 92182015)、公路隧道非接触量测规程（DB 34/T 10882019）等 6 种国内规范及日本、法国围岩分级方法中的相对拱顶沉积位移控制基准进行调研分析，综合调研结果，结合米林隧道冰水堆积体的实际情况，得出各级围岩允许位移分布范围如表 4 所示。其中，对基本级别下各亚级的允许位移分界点按中点取值。表 2 米林隧道冰水堆积体围岩分级表围岩分级 胶结情况地下水备注1钙质胶结无水2钙质胶结常压水、承压水对于承压水，开挖前应首先钻孔泄压，并结合注浆加固，将水压降至常压或无水状态1泥质胶结无水2泥质胶结常压水、承压水对于承压水，开挖前应首先钻孔泄压，并结合注浆加固，将水压降至常压或无水状态I1无胶结无水无胶结地层，掌子面不能自稳，开挖前应先加固地层I2无胶结常压水、承压水对于承压水，开挖前应首先钻孔泄压，并结合注浆加固，将水压降至常压或无水状态 表 3 碎石土岩质隧道围岩物理力学指标围岩级别重度/(kNm3)变形模量/MPa泊松比内摩擦角/()黏聚力/kPa122.0322.5448550.180.23434839.847.6221.3222.0546530.210.25404535.642.3120.7621.4540490.230.28384330.239.6220.4020.9036450.260.30354025.235.520.0920.5232420.280.33333810.226 表 4 中跨度铁路隧道围岩允许位移分布范围围岩基本级别亚级围岩位移/mmIVIV10.300.55IV20.550.80VV10.801.10V21.101.40VI1.40 4 基于允许变形量的隧道支护力确定 4.1 不考虑注浆时冰水堆积体隧道围岩特征曲线计算各个围岩等级采用的力学参数见表 3，取各个指标的下限，分别计算不同围岩等级下不考虑注浆时冰水堆积体的围岩特征曲线和塑性区半径随支护力的变化曲线，同时获得弹塑性临界支护力。实际隧道断面面积 70.89 m2，按照面积等效，等效后的圆形隧道134岩土工程技术2024 年第 2 期直径为 9.5 m。隧道埋深约 150 m，在计算时可取远场半径为 150 m。根据房倩12对大量隧道的分析整理，针对隧道工程特点，建立了“围岩注浆圈初期支护二次衬砌”的隧道结构体系理论模型，并通过理论分析给出楔形滑移体位态的计算方法，由此可得各级围岩的1 级围岩特性曲线及塑性区半径随支护力的变化曲线如图 2图 6 所示。000.20.400.20.40.60.81.00.60.81.00.51.0径向位移/m36912塑性区半径/m弹塑性临界(0.28 m,0.31)支护力比支护力比1.52.0 图 2 1 级围岩特性曲线 000.20.400.20.40.60.81.00.60.81.01.01.5径向位移/m36912塑性区半径/m弹塑性临界(0.27 m,0.35)支护力比支护力比2.52.00.53.0 图 3 2 级围岩特性曲线 000.20.400.20.40.60.81.00.60.81.023径向位移/m361215塑性区半径/m弹塑性临界(0.29 m,0.38)支护力比支护力比4159 图 4 1 级围岩特性曲线 000.20.400.20.40.60.81.00.60.81.023径向位移/m361215塑性区半径/m弹塑性临界(0.30 m,0.42)支护力比支护力比4159 图 5 2 级围岩特性曲线 000.20.400.20.40.60.81.00.60.81.023径向位移/m361215塑性区半径/m弹塑性临界(0.33 m,0.45)支护力比支护力比4159 图 6 级围岩特性曲线 可以看出，随着支护力的减小，隧道径向位移逐渐增大，当围岩产生塑性变形时，径向位移的增大速度更快；不考虑注浆情况下的洞周隧道径向位移和塑性区半径的量值相对较大，表 5 给出了各级围岩的弹塑性临界支护力以及相应的隧道变形量。可以看出，各级围岩的弹塑性临界支护力较大，且隧道对应的变形量也相对较大，若采用弹塑性临界支护力进行支护结构设计，则支护强度要求很高，不经济，且围岩变形量也较大。因此，应针对冰水堆积体提出相应的隧道围岩变形控制标准，根据允许变形量进行支护结构设计；同时，必须采用注浆加固措施，提高围岩的强度等级，增强围岩的强度参数，进而优化支护设计，减小围岩变形。4.2 基于允许变形的冰水堆积体隧道支护力确定根据计算结果，结合获得的允许变形，得到各级围岩条件基于允许变形的冰水堆积体隧道支护力，根据 4.1 节计算结果，结合表 4 获得的允许变形，得到各级围岩条件基于允许变形的冰水堆积体隧道支护力（见表 6）。理论上，在围岩特性曲线上允许位移与允许支护力一一对应，因此以允许位移来推求允许支陶琦：冰水堆积体隧道围岩分级与支护力确定方法135护力是一种可行的方法。然而，计算结果表明，由于允许变形量小于不考虑注浆情况下的弹塑性临界支护力对应的变形量，因而基于允许变形的冰水堆积体隧道支护力大于弹塑性临界支护力，按此进行设计则隧道支护结构刚度需足够大，才能满足设计要求。因此，必须通过注浆来改变围岩强度参数，增强围岩的物理力学性能，提高围岩强度，进而优化支护结构设计。表 5 各级围岩弹塑性临界支护力以及相应的隧道变形量围岩等级弹塑性临界支护力/kPa隧道变形量/mm11024.428021119.327011183.329021285.2300156.1330 表 6 各级围岩基于允许变形量的支护力围岩等级支护力/kPa允许变形量/mm1295143.32266768.81247696.822295127.42260142.7 5 结论（1）选取相关土体基本物理性质参数，作为冰水堆积体的围岩分级依据，根据现场测定数值确定围岩等级和选取对应的围岩基本物理力学参数。（2）基于目前国内现有的规范以及日本和法国的围岩分级中的相对拱顶沉积位移控制基准进行调研分析，对基本级别下各亚级的允许位移分界点按中点取值确定了变形控制标准。（3）不考虑注浆时，基于已有的计算模型及计算公式，得到各级围岩弹塑性临界支护力以及相应的隧道变形量，由于允许变形量小于不考虑注浆情况下的弹塑性临界支护力对应的变形量，因此，必须通过注浆改变围岩强度参数，增强围岩的物理力学性能，提高围岩强度，进而优化支护结构设计。参考文献 谢亦朋,张聪,阳军生,等.基于局部粗粒化离散元的冰水堆积体隧道围岩破坏特征与加固措施研究 J.岩土力学与工程学报，2020，40（3）：576-589.1 冯文凯,周强,白慧林,等.降雨作用对欢喜坡冰水堆积体斜坡稳定性的影响研究 J.工程地质学报，2018，26（3）：665-662.2 孙兴伟,张德强,秦波,等.西藏高寒地区冰水堆积体非均质粗颗粒土本构模型的研究及应用 J.四川水利，2019，40（6）：18-21.3 王盛年,朱银,李跃.考虑结构构成的冰水堆积体变形破坏分析 J.岩土力学与工程学报，2019，38（S1）：3262-3270.4 祁昊,冯文凯,陈建峰,等.降雨作用下欢喜坡冰水堆积体角砾土强度特性 J.水文地质工程地质，2017，44（4）：78-84.5 王琦,冯文凯,黄家华,等.岷江上游欢喜坡冰水堆积体原位大剪试验研究 J.科学技术与工程，2016，16（8）：254-260.6 涂国祥.西南河谷典型古冰水堆积体工程特性及稳定性研究 D.成都:成都理工大学,2010.7 杨彬.西藏林芝地区冰水堆积物隧道开挖及支护模型试验研究 D.成都:成都理工大学,2017.8 张振.林芝地区冰水堆积体本构模型及物理力学性能研究 D.成都:成都理工大学,2017.9 黄家华.四川理县桃坪冰水堆积体强度特性研究 D.成都:成都理工大学,2016.10周航.雅鲁藏布江大古河段冰水堆积物特征及本构模型研究 D.成都:成都理工大学,2016.11房倩.高速铁路隧道支护与围岩作用关系研究 D.北京:北京交通大学,2010.12收稿日期：2022-07-24136岩土工程技术2024 年第 2 期