深埋炭质板岩地层穿塌腔隧道开挖方法研究分析_易威良.pdf

DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315042深埋炭质板岩地层穿塌腔隧道开挖方法研究分析收稿日期:2022 11 18基金项目:四川省自然科学基金项目(No 2022NSFSC0424);国家自然科学基金项目资助(No 52278414);国家重点研发计划(No 2019YFC0605104)作者简介:易威良(1989 )，男，工程师，从事公路工程项目施工技术管理工作;何平(1982 )，男，高级工程师，从事公路工程项目施工技术管理工作*通信作者:王耀达(1998 )，男，在读硕士，从事隧道及地下工程设计理论研究易威良1，王耀达2*，何平1，胡跃1，周清学1，赵永堂1，刘大华1(1 四川公路桥梁建设集团有限公司公路二分公司，四川 成都610200;2 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都610031)摘要:以峨(峨眉)汉(汉源)高速金口河隧道为工程依托，针对炭质板岩地层深埋段隧道施工过程中面临的拱顶塌腔问题，剖析塌腔形成原因，并基于现场地层条件及实际施工情况，进行数值模拟分析，研究分析分别采用二台阶预留核心土法及三台阶预留核心土法时的围岩位移及支护受力变形情况。结果表明:采用三台阶预留核心土法进行施工，相对二台阶预留核心土法，可降低 10 6%的竖向位移及 35 6%的水平位移，同时可降低 22 9%的初期支护位移，但在一定程度上会使初支应力增大，综合考虑，围岩较差且对及时支护要求高的工程可优先采用三台阶预留核心土法进行施工。关键词:隧道工程;深埋炭质板岩;塌腔成因;开挖方法中图分类号:TU941文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0162 040引言近年来，随着“新西部大开发战略”推进，我国隧道建设重心逐步向西南地区转移。由于西南地区复杂的地质条件，越来越多隧道工程在施工过程中难以避免地穿越复杂地质环境。其中，炭质板岩作为西南地区普遍存在的一种特殊地质岩体，在隧道施工过程中存在遇水易软化、受力复杂、变形大等特点，极易造成围岩失稳、洞内塌方等灾害1 2。若不能及时正确处理，将会严重影响工期、增加施工成本，甚至会危害到施工人员的生命安全。因此，本文依托实际隧道工程，对洞内拱顶塌腔形成原因进行剖析，并通过 FLAC3D 有限差分软件分析围岩位移及隧道支护受力情况的变化，验证不同施工开挖方法的适用性，同时可为类似工程设计与施工提供借鉴与参考。1工程概况11隧道概况峨汉高速金口河隧道位于四川省乐山市峨边彝族自治县和金口河区交界处的中高山峡谷区域。隧道全长8 130 m，为双向四车道隧道，最大埋深 1 317 m。隧道地质情况极其复杂，级围岩占比 47 74%，级围岩占比4684%，级围岩占 5 43%。本文研究段隧道围岩主要为中风化炭质板岩和炭质板岩夹砂岩，受构造作用影响，岩体结构面发育，结合程度差，以板块碎裂镶嵌结构为主，完整性较差。根据物探解译成果，地下水发育，该段为富水区，洞内地下水以淋雨状出水为主，局部段可能呈股状或大雨状出水;围岩自稳能力差，隧道拱顶开挖无支护时易发生较大大坍塌，侧壁易发生小坍塌。根据相邻临近隧道水质分析结果，炭质板岩段地下水可能具有弱腐蚀性。12拱顶塌腔情况洞内塌腔位于 ZK65+555 ZK65+543 位置处，其埋深约为 1 300 m。该段揭示掌子面围岩以炭质板岩为主，夹砂质板岩、绢云母板岩等，石墨化现象较严重，受巫路岗背斜、大坪向斜褶皱构造影响，岩体层面近直立，岩体整体性极差，呈楔形碎裂镶嵌结构，拱顶可见淋雨状出水。2021 年 7 月 13 日 7 月 15 日期间，在现场支护过程中，ZK65+555 处掌子面持续发生掉块甚至多次发生临空面整体溜塌，因围岩自稳性极差，岩体松散破碎，持续的坍塌导致塌腔不断向环向两侧扩大，最终在掌子面起拱线以上形成了纵向长 5 m 6 m，深 8 m 11 m，环向约 12 m 13 m 的塌腔，如图 1 所示。图 1隧道左线现场塌腔影响段实拍图最大塌腔断面如图 2 所示，该段为级围岩炭质板岩段，隧道支护设计参数见表 1，图 3。261第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug2023图 2塌腔断面示意图隧道断面塌腔体表 1衬砌参数表围岩级别喷射混凝土/cm锚杆长度/cm纵 环/(cm cm)钢筋网钢架/cm预留变形量/cm混凝土拱墙厚度/cm混凝土仰拱厚度/cm级24300120 120 820 cm 20 cm18 型工字钢间距06 m125050图 3隧道衬砌断面图单位：cm1 264 373637361 119设计高程点结构设计基线隧道中线969071550241 02512 22 药卷锚杆 300 cm 8 钢筋网 20 cm20 cm18 工字钢钢架 60 cm/榀C25 喷射混凝土 24 cm预留变形量 12 cm防水层C30 钢筋混凝土 50 cm2隧道塌腔的形成因素21地质构造因素隧道塌腔段掌子面围岩以炭质板岩为主，石墨化现象较严重，同时影响段位于巫路岗背斜核部，岩体层面近直立，长期受构造作用影响，裂隙极其发育，岩体破碎，自稳能力极差。同时受巫路岗背斜、大坪向斜褶皱构造影响，隧道开挖前围岩褶皱及次生裂隙通常为受力平衡状态，但开挖后，受到隧道埋深及围岩构造挤压的共同作用，导致拱部围岩稳定失去平衡，因此形成了此次的拱顶塌腔情况3 4。22裂隙水因素除破碎的围岩条件外，裂隙水的存在同样是塌腔形成的重要影响因素5。在隧道开挖过程中，开挖的扰动会破坏初始平衡的围岩应力场与渗流场，使其重分布，进而大大降低围岩的自稳能力，导致原本稳定或较破碎的围岩失稳，最终塌落。因此，由于炭质板岩遇水软化且整体性差，同时该段为富水区，地下水发育，以淋雨状大雨状出水为主，导致整个掌子面岩石软化发生塌落，形成塌腔。23施工因素在隧道开挖过程中，由于施工队伍的部分人员缺乏对现场地质条件的了解，对围岩细微的变形情况缺乏重视，没有正确判断围岩的实际自稳能力，在穿越不良地质段时，开挖方法不合理;或开挖后未进行及时支护，导致围岩较长时间暴露，加深了风化程度6。本次施工过程中，施工队伍未按规范施工，挖出部分核心土，同时在初次坍塌后所施作管棚同样存在与钢架的搭接不牢固，管棚米数不足等问题，这也是塌腔再次扩大的因素。3数值模拟设计为了探究隧道在穿越拱顶塌腔时采用不同开挖方法对围岩及隧道结构的影响，根据现场实际施工情况，选取塌腔高度最大处断面进行数值模拟模型建立及计算。在计算模型的建立过程中，基于圣维南原理7，模型的 边 界 取 4 倍 5 倍 洞 径，隧 道 轴 向 长 度 为120 m，模 型 整 体 尺 寸 为 120 m 100 m 120 m(宽 高 长)，所建立模型共包含 448 153 个节点及 431 574 个单元。计算过程中，对隧道初期支护及二次衬砌结构选用弹性本构，采用二维实体单元进行模拟，对于地层围岩的模拟，由于隧道开挖扰动下围岩实际已表现出塑性状态，故选用塑性摩尔 库仑本构进行建立，能较好的反映其塑性状态。对模型的左右边界在水平方向设置约束，对于底部边界同时在水平及垂直方向设置约束。计算模型及不同开挖方法网格划分如图 4 所示。围岩和衬砌材料等物理力学参数如表 2 所示。图 4计算模型示意图塌腔体隧道结构级围岩三台阶预留核心土法网格划分二台阶预留核心土法网格划分表 2围岩与衬砌力学参数材料密度/(kgm3)弹性模量/GPa泊松比内摩擦角/()黏聚力/kPa级围岩2 0001204025200初支2 20022023二衬2 500300204计算结果分析选取监测断面中的典型情况进行分析，隧道断面一周共布置 7 个监测点，对围岩及支护结构在隧道施工过程中的应力及位移变化进行监测，如图 5所示。图 5隧道断面监测点位置示意图ABDFCEG拱顶361第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月易威良，等:深埋炭质板岩地层穿塌腔隧道开挖方法研究分析41洞周围岩位移分析1)二台阶预留核心土法。隧道开挖完成后洞周围岩位移分布云图见图 6。图 6二台阶预留核心土法洞周围岩位移云图单位：mContour of Z-Displacement9.240 0E-028.000 0E-026.000 0E-024.000 0E-022.000 0E-020.000 0E+00-2.000 0E-02-4.000 0E-02-6.000 0E-02-8.000 0E-02-1.000 0E-01-1.200 0E-01-1.226 0E-01Contour of X-Displacement1.049 1E-011.000 0E-018.000 0E-026.000 0E-024.000 0E-022.000 0E-020.000 0E+00-2.000 0E-02-4.000 0E-02-6.000 0E-02-8.000 0E-02-1.000 0E-01-1.078 2E-01（a）稳定后竖向位移（b）稳定后水平位移从图 6 中可以看出，当隧道按照二台阶预留核心土法进行开挖时，隧道拱顶位置的围岩发生了最大竖向位移，拱顶沉降最大值达到 122 6 mm，拱底隆起最大值为 92 4 mm。洞周围岩水平位移最大值出现在左右边墙与拱脚部位，最大值在 107 8 mm 左右，说明水平地应力作用明显，边墙及拱脚部位围岩出现严重破坏变形。2)三台阶预留核心土法。隧道开挖完成后洞周围岩位移分布云图见图 7。图 7三台阶预留核心土法洞周围岩位移云图单位：m（a）稳定后竖向位移（b）稳定后水平位移Contour of Z-Displacement7.946 6E-027.000 0E-026.000 0E-025.000 0E-024.000 0E-023.000 0E-022000 0E-021.000 0E-020.000 0E+00-1.000 0E-02-2.000 0E-02-3.000 0E-02-4.000 0E-02-5.000 0E-02-6.000 0E-02-7.000 0E-02-8.000 0E-02-9.000 0E-02-1.000 0E-01-1.098 4E-01Contour of X-Displacement7.189 5E-027.000 0E-026.000 0E-025.000 0E-024.000 0E-023.000 0E.022.000 0E-021.000 0E-020.000 0E+00-1.000 0E-02-2.000 0E-02-3.000 0E-02-4.000 0E-02-5.000 0E-02-6.000 0E-02-7.000 0E-02-7.820 1E-02采用三台阶预留核心土法进行开挖时，同样是隧道拱顶位置的围岩发生最大竖向位移，拱顶沉降最大值达到 109 6 mm，拱底隆起最大值为 79 5 mm。洞周围岩水平变形破坏主要集中在洞周边墙部位，其中右拱腰处变形最大，最大位移值达 78 2 mm。42初期支护位移曲线分析1)二台阶预留核心土法。二台阶预留核心土法开挖隧道初期支护监测点位移随开挖步变化曲线图见图 8。图 8二台阶预留核心土法初支位移曲线下台阶开挖核心土开挖上台阶开挖12080400-40-80-120-160位移/mmABCDEFG0306090120150时间步（1 000 步）由图 8 可以看出，采用二台阶预留核心土法开挖时，隧道初期支护位移的最大值出现在拱顶位置，为 122 mm左右，位移在洞周其余位置分布均匀;隧道开挖对拱顶沉降的影响最大，各监测点位移均经过逐渐增大后趋于稳定的变化过程;初期支护沿洞周各位置发生的位移基本分布规律为:拱顶 拱腰 拱脚 拱肩位移。2)三台阶预留核心土法。三台阶预留核心土法开挖隧道初期支护监测点位移随开挖步变化曲线图见图 9。图 9三台阶预留核心土法初支位移曲线下台阶开挖核心土开挖上台阶开挖12080400-40-80-120-160位移/mmABCDEFG0306090120150时间步（1 000 步）中台阶开挖可以看出，当隧道采用三台阶预留核心土法施工时，同样是隧道拱顶位置的初期支护发生最大位移，为 94 mm;初期支护洞周位移分布情况基本与采用二台阶预留核心土法时相同。各监测点位移变化为先增大后趋于稳定，稳定时间在仰拱开挖后初期支护封闭成环。43初期支护内力对比分析各施工方法初期支护应力分布情况见图 10。图 10两种施工工法下初期支护应力云图3.042 1E+042.500 0E+040.000 0E+00-2.500 0E+04-5.000 0E+04-7.500 0E+04-1.000 0E+05-1.250 0E+05-1.500 0E+05-1.750 0E+05-2.000 0E+05-2.250 0E+05-2.500 0E+05-2.750 0E+05-3.000 0E+05-3.003 4E+05FLAC3D 5.002012 Itasca Consulting Group,Inc.Contour of Max.Principal StressCalculated by:Volumetric AveragingcFLAC3D 5.002012 Itasca Consulting Group,Inc.Contour of Min.Principal StressCalculated by:Volumetric Averagingc-2.262 2E+05-5.000 0E+05-1.000 0E+06-1.500 0E+06-2.000 0E+06-2.500 0E+06-3.000 0E+06-3.500 0E+06-4.000 0E+06-4.500 0E+06-5.000 0E+06-5.500 0E+06-6.000 0E+06-6.156 1E+06FLAC3D 5.002012 Itasca Consulting Group,Inc.Step 1771692021-12-07 19:40:26ZoneContour of Max.Principal StressCalculated by:Volumetric Averaging4.421 7E+042.500 0E+040.000 0E+00-2.500 0E+04-5.000 0E+04-7.500 0E+04-1.000 0E+05-1.250 0E+05-1.500 0E+05-1.750 0E+05-2.000 0E+05-2.250 0E+05-2.500 0E+05-2.750 0E+05-3.000 0E+05-3.012 3E+05cFLAC3D 5.002012 Itasca Consulting Group,Inc.Step 1771692021-12-07 22：42：17Contour of Min.Principal StressCalculated by:Volumetric Averagingc-3.908 1E+05-5.000 0E+05-1.000 0E+06-1.500 0E+06-2.000 0E+06-2.500 0E+06-3.000 0E+06-3.500 0E+06-4.000 0E+06-4.500 0E+06-5.000 0E+06-5.500 0E+06-6.000 0E+06-6.371 8E+06（a）二台阶预留核心土法初期支护最大主应力云图（b）二台阶预留核心土法初期支护最小主应力云图（c）三台阶预留核心土法初期支护最大主应力云图单位：Pa（d）三台阶预留核心土法初期支护最小主应力云图各施工方法下初期支护最大主应力值及其分布位置见表 3。表 3施工工法下初期支护最大最小应力及分布位置施工方法最小主应力最大值/MPa分布位置最大主应力最大值/MPa分布位置二台阶预留核心土法6 156拱顶0 030 4边墙三台阶预留核心土法6 372拱顶0 044 2边墙注:在 FLAC3D 中，应力符号规定受压为负，受拉为正，故最小主应力的最小值对应最大压应力，最大主应力的最大值对应最大拉应力。461第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑由表 3 看出，二台阶预留核心土法与三台阶预留核心土法初期支护各部位所受内力较为均匀，且二台阶预留核心土法与三台阶预留核心土法初期支护最小主应力集中于拱顶、拱肩与仰拱。就最大拉应力及最大压应力而言，三台阶预留核心土法均大于二台阶预留核心土法。5结论以金 口 河 隧 道 穿 越 塌 腔 段 工 程 为 背 景，采 用FLAC3D 有限差分软件，模拟隧道开挖过程，对比分析了采用二台阶预留核心土法及三台阶预留核心土法施工时隧道洞周位移、初支位移及受力等指标变化规律，得到以下结论:1)通过对围岩变形控制效果的比较，采用二台阶预留核心土法时，洞周围岩竖向及水平位移最大值分别为1226 mm 及 107 8 mm，而采用三台阶预留核心土法开挖后，洞周围岩竖向及水平位移最大值为 109 6 mm 及795 mm，边墙、拱脚及仰拱部位的位移明显减少，竖向及水平 位 移 相比二 台阶 预留核心 土 法 分 别 减 少 了106%和 35 6%，因此三台阶预留核心土法对围岩变形控制效果更加显著。2)从初期支护位移可看出，二台阶预留核心土法及三台阶预留核心土法隧道初期支护最大位移分别为122 mm，94 mm，二台阶预留核心土法相比三台阶预留核心土法开挖增加了 29 8%，说明三台阶预留核心土法开挖相比二台阶预留核心土法能更加有效地控制隧道初期支护的拱腰及拱脚等位置的变形情况。3)在初期支护应力大小方面，就最大压应力及最大拉应力而言，三台阶预留核心土法均大于二台阶预留核心土法，表明采用三台阶施工时，较长的施工时间在一定程度上增加了对围岩的扰动效果。4)对比两种施工方法，当面临围岩条件较差且对支护时机要求高的情况时，适宜采用三台阶预留核心土法;二台阶预留核心土法更适宜于围岩条件略差但不需及时支护的情况，并提高了掘进速度。针对金口河隧道穿越拱顶塌腔的实际施工情况而言，采用三台阶预留核心土开挖更有利于施工的顺利进行及安全保障。参考文献:1 陶志刚，罗森林，康宏伟，等 公路隧道炭质板岩变形规律及蠕变特性研究 J 中国矿业大学学报，2020，49(5):898 906 2 张海太，任高攀，万志文，等 薄层炭质板岩地层隧道围岩大变形特征及支护方法研究 J 地下空间与工程学报，2020，16(增刊 1):457 464 3 陈涛 某高速公路山岭隧道深埋段塌腔处理技术研究 J 中国住宅设施，2021(2):45 46 4 董慧 兰渝铁路后山坪隧道水平岩层塌方处理方案 J 西部探矿工程，2014，26(11):169 173 5 谢艺伟 长大隧道塌腔处理及发达裂隙水的引排施工研究J 工程技术研究，2020，5(12):72 73 6 俞冬晓 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coreearth method are used respectively The results showed that:Compared with the two-step reserved core earth method，the three-step reserved core earth method can reduce the vertical displacement by 10 6%and the horizontal displacement by 35 6%，and the initial support displacement by 229%However，the initial support stress will increase to some extent The three stepreserved core earth method can be used preferentially for the projects with poor surrounding rock and high demand for timelysupportKey words:tunnel engineering;deep-buried carbonaceous slate;causes of cavity collapse;method of excavation561第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月易威良，等:深埋炭质板岩地层穿塌腔隧道开挖方法研究分析