0 引言
隧道修建时经常会穿越断层破碎带等不良地质体,往往会发生围岩强度低、裂隙发育显著、透水性强,其分布区段极易出现拱顶塌方、不均匀沉降、突水突泥等工程事故,给施工带来重大损失。 因此,研究隧道在破碎带中的变形特征对指导工程实践有重要意义。
对于隧道穿越断层破碎带时的应力应变特征及施
工技术,已有很多学者进行过研究。 赵前进等 对玉
磨铁路断裂破碎带含水体超前预报技术、超前预加固
技术、软岩大变形控制技术做了总体概述; Nikadat
等通过数值模拟分析了大断面矩形隧道的围岩应
力特征; 胡志平等依托地基沉降试验平台,研究了
小角度斜穿地裂缝的箱型隧道衬砌结构在地裂缝影响
下的变形破坏模式和影响规律;周书明等采用风险
分析和评价的方法对海底隧道过断层破碎带施工风险
进行分析; 王德明等建立了三维地质模型试验系
统,并研究了断层破碎带隧道开挖扰动作用下突水、突
泥灾变演化过程; 张煜通过数值模拟研究了断层不
同蠕滑错动距离对不同断层倾角下隧道衬砌的影响特
征; 徐前卫等通过数值模拟与室内模型试验,研究
了跨断层隧道围岩渐进性破坏特征; 刘邦等采用
ABAQUS 软件以及相应的隧道模型试验,研究了隧道
在支护以后贯穿隧道的节理以及其长度和位置对隧道
稳定性的影响; 陈海亮等以现场监测数据并结合
数值模拟,分析了断层宽度、倾角的变化对隧道衬砌应
力、应变、位移的影响; Abdoun 等通过物理模型箱
试验,发现断层错动时管道受管径、隧道埋深、土体湿
度、断层倾角等因素的影响; Vazouras 等采用数值模
拟的方法对跨断层钢管进行了研究,其考虑了土壤和管
道参数对管道结构的影响,提出了管道失效破坏的特征
识别。 综上所述,现有对隧道穿越破碎带的研究多为施
工方法的改进及通过数值模拟的方法分析其对衬砌变
形的影响,而运用物理模型试验对不均匀沉降情况下隧
道拱顶沉降和周边收敛点的对比分析涉及较少。
本文以西南地区某隧道工程项目为依托,对现场实测隧道拱顶、周边收敛数据进行分析,并结合数值模拟与室内模型试验,研究了穿破碎带隧道不均匀沉降下的衬砌变形规律。
1 工程地质概况与现场监测
1. 1 地质概况
该隧道工程西邻青藏高原,东接四川盆地,地形险峻,相对高差达 2 000 m 以上。 隧址区位于一河流左岸的陡坡地段,地形坡度 35° ~ 50°,局部较陡,隧道洞身埋深最深 459 m,全长 3 321. 2 m,设计为双向 4 车道。 全线地面高程 1 550 ~ 1 800 m,北高南低,沿河左岸而建,为傍山隧道。 岩层走向与隧道轴线斜交,隧道进口自然斜坡坡度为 45° ~50°。
隧道围岩以中风化绢云母石英千枚岩为主,岩体
呈薄—中厚层层状结构,局部地段夹千枚岩及炭质千
枚岩,岩层产状倾向 345° ~ 355°、倾角 65° ~ 70°。 岩体
片理发育,层间结合较差,受构造影响较强烈; 节理裂
隙较发育,岩体整体较破碎,稳定性一般。 地下水主要
为基岩空隙裂隙水,以湿润、点滴状析出为主。 隧道局
部下穿泥石流堆积体段,开挖极易垮塌、冒顶,同时雨
季进口段可能出现暂时性冲沟,沟水下渗进入洞身内,
产生临时的股状涌水。 依据 JTG F60—2009《公路隧
道施工技术规范》 并根据现场判断,该隧道围岩等
级为Ⅳ—Ⅴ级。
本文研究里程区段为 ZK80+533 ~ ZK81+575,从现场监控量测月报显示,该段围岩逐渐由较完整过渡至破碎,围岩级别由Ⅳ级—Ⅳ/ Ⅴ级—Ⅴ级逐渐过渡。
1. 2 现场监测布置
根据隧道监控量测月报显示,Ⅳ级围岩区段由于围岩较完整,监测间隔为 15 m;围岩较破碎的区段,监测间隔 3~5 m 不等。 隧道开挖施作初期支护后,在隧道拱顶轴线及周边拱腰位置衬砌中分别钉入膨胀螺丝作为量测基准点。 用水准仪、塔尺和钢尺量测断面的沉降量,用收敛仪测量断面的周边收敛情况。 监测期间部分断面施作了二次衬砌。 监测断面测点布置如图1 所示。
图 1 隧道沉降监测点布置
2 现场监测数据分析
考虑到监测断面较多,以围岩Ⅳ/ Ⅴ级过渡区间中间点 ZK81+040 为中心,分别在Ⅳ级—Ⅳ/ Ⅴ级—Ⅴ级3 类围岩区间段对称选取了 4 个断面 30 d 监测数据作为典型断面进行分析。 即隧道左线 ZK80+730(围岩等级为 Ⅳ 级)、 ZK81 + 030 ( 围岩等 级 为 Ⅳ/ Ⅴ 级)、ZK81+050(围岩等级为Ⅳ/ Ⅴ级)、ZK81+350(围岩等级为Ⅴ级)作为典型断面进行分析。 4 个断面拱顶沉降与周边收敛随时间累计变化曲线如图 2 所示。
图 2 各断面拱顶下沉、周边收敛时间曲线
从图 2 可以看出: 断面 1 处围岩等级为Ⅳ级,在相对较完整的中风化千枚岩中,前 15 d 拱顶沉降与周边收敛速率分别为 0. 9 mm / d 与 0. 7 mm / d,后期增速
放缓,或与施加二次衬砌有关;监测 22 d 累计沉降与
收敛总量分别为 15. 9 mm 与 10. 8 mm。 断面 2 与断面
3 均处在Ⅳ级围岩向Ⅴ级围岩过渡区,围岩较破碎,其
累计拱顶沉降量及周边收敛位移分别达到 30 mm 与
25 mm 以上,与断面 1 相比明显增大,沉降与周边变形
速率也加快;分析其原因应是该区间处在 2 种等级围
岩过渡地带,Ⅴ级围岩相对Ⅳ级围岩强度下降,发生类
似正断层错动,错动距离大致 15 mm 左右,且由于围
岩强度降低,整体性变差,自稳能力降低;断面 2 监测
13 d 左右变形速率减缓,应是施作二次衬砌起了约束
作用,但相比于断面 1,其累计变形量与变形速率均较
大。 断面 4 处在泥石流堆积体中,开挖后隧道内壁可
见明显裂隙及内部充填物,地下水呈淋雨状甚至局部
涌流状渗出,围岩等级为Ⅴ级;其拱顶下沉与周边收敛
在 6 d 左右便分别接近 30 mm 与 20 mm,前期平均拱
顶沉降与周边收敛速率分别达到 4. 6 mm / d 与 3. 1
mm / d,与其他断面相比变形速率极快,累计沉降与周
边变形均远大于断面 1,说明围岩越破碎,开挖卸荷后围
岩自稳能力越差,衬砌结构变形速度越快,且地下水的
冲刷与浸泡软化更加速了隧道变形。 断面 3 周边收敛
高于断面 4,分析原因为断面 3 处于Ⅳ/Ⅴ级围岩过渡
区,此区间围岩条件从现场监控日志看为较破碎、破碎
交替出现; 断面 3 现场日志记录为Ⅴ级,围岩比较破碎。
但由于断面 3 所处区间围岩为较破碎、破碎间断交替出
现,所以整体上断面 3 变形速率没有断面 4 快,但也很
有可能会出现断面 3 周边收敛大于断面 4 的情况。 4 个
断面的周边收敛值基本均小于对应断面的拱顶沉降值,
各断面拱顶沉降大约是周边收敛的 1. 25~1. 75 倍,且围
岩越破碎,拱顶沉降相对于周边收敛倍数越大。
以断面 ZK81+010 为起点,间隔约 50 m 选取监测断面得如图 3 所示各断面随位置 30 d 累计变形曲线。可以看出,周边收敛累计值虽有增大,但与累计拱顶沉降相比增幅较小,说明拱顶沉降对围岩完整性的敏感度要大于周边收敛。 在 150 m 处断面 ZK81+150 变形量较大,原因是 100~ 250 m 为Ⅳ级围岩向Ⅴ级围岩过渡区,围岩完整性呈现较破碎、破碎交替出现,而现场监测日志显示在 100 ~ 200 m 段围岩等级为Ⅴ级,围岩较破碎,故变形量较大。
图 3 ZK81+010 段各断面拱顶下沉、周边收敛位置曲线
3 穿破碎带隧道数值模拟
从前述现场监测数据可以看出,围岩越破碎,衬砌变形量越大,且拱顶对围岩的完整性更加敏感。 为研究上述规律是否在跨破碎带隧道的全断面内成立,同时为验证围岩等级交界区间发生不均匀沉降,采用ABAQUS 数值模拟软件研究隧道围岩交界面区域全断面的变形特征。
3. 1 模型构建
本模型依托 ABAQUS 数值模拟软件而建立。 模型
由Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩及隧道衬砌结构 3 部分组成,均采
用实体单元,围岩接触面设置为摩擦接触。 为与后续物
理模型试验相吻合并考虑计算简便,隧道断面形状选择
为圆形,半径 5 m,衬砌厚度(综合考虑初期支护和二次
衬砌)为 50 cm。 林克昌等、杨林德等的研究表
明,计算模型大于 5D(D 为隧道直径)时,边界条件基本
不影响有限元计算结果。 模型整体为 200 m×100 m×
100 m 的长方体,Ⅳ级与Ⅴ级围岩过渡面倾角设置为
75°。 为突出断层对隧道变形的影响,围岩与衬砌均假
设是各向同性连续介质,不考虑地层分层、结构面、衬
砌沉降缝等其他可能引起隧道变形的因素,仅考虑重
力作用。 围岩本构模型采用 Mohr-Coulomb 准则,衬
砌采用线弹性本构模型。 通过对实际工程监测数据的
分析,隧道在围岩过渡地带产生不均匀沉降,故设置边
界条件时,将Ⅳ级围岩模型设为固定不动,Ⅴ级围岩模
型沿分界面向下相对滑动,并一次性赋以运动初值 1
cm。 约束模型两侧、两端的法向位移,模型顶面为自
由面。 计算过程中,模型总尺寸保持不变。 模型网格
如图 4 所示,材料物理力学参数如表 1 所示。
图 4 模型网格
表 1 材料物理力学参数
3. 2 模型结果分析
图 5 为衬砌模型全断面沉降云图,模型左端位于Ⅳ级围岩内,右端位于Ⅴ级围岩内。 可以直观地看出: Ⅳ级围岩内的衬砌模型位移较小; 在 2 种围岩分界面处,衬砌位移明显增大且增长梯度较大;当沿轴向向Ⅴ级围岩方向延伸,位移逐渐增大并趋于稳定,与现场监测数据结果较为一致; 在衬砌模型右端出现小段区间周边收敛大于拱顶沉降的情况,分析原因应该是建模过程中对右端面施加约束造成的,与实际复杂地质条件、约束条件及本构条件有所差异。
图 5 衬砌模型沉降云图(单位: m)
以图 5(a)模型左端为零点,以 10 m 为区间选取40~160 m 区间段做拱顶沉降与周边收敛随断面变化的趋势图,如图 6 所示。 可以看出: 沿隧道轴向从Ⅳ级围岩向Ⅴ级围岩方向,衬砌拱顶下沉量逐渐增大;周边收敛值先少量减小后逐渐增大,但减小数值较小,应是模型过于简化,与实际情况有所差异所产生的影响;靠近围岩等级分界面,即坐标 100 m 处,图形存在拐点,越过拐点位移逐渐增大,最终在 140 m 处达到最大值并趋于稳定; Ⅴ级围岩区间段内衬砌变形量远大于Ⅳ级围岩,这与现场监测数据所表现的规律较为一致,说明隧道围岩稳定性越差,衬砌变形量越大; 拱顶沉降增长幅度大于周边收敛,说明拱顶沉降对围岩完整性的敏感度要大于周边收敛。
图 6 衬砌模型沉降趋势图
由于在建模时对Ⅴ级围岩模块赋予了 1 cm 的向下移动初始条件,使得模型计算结果与监测数据趋势一致,这也证明了现场围岩过渡地带产生了不均匀沉降。
4 室内模型试验
从现场监测数据并通过数值模拟验证得出,该隧道Ⅴ级围岩相对Ⅳ级围岩发生了不均匀沉降。 为进一步研究不均匀沉降和断层破碎带错动下的隧道变形规律,采用自主研发的模型试验箱进行室内模型试验。
4. 1 相似关系设计与相似材料
考虑到模型箱大小及实际操作的可行性,选取Ⅳ级围岩向Ⅴ级围岩过渡区错动面两侧共 100 m 进行相似模型试验,比例尺为 1 ∶ 50,实际工程中的材料物理力学参数见表 2。 根据 Bukingham π 定理对试验相似比的要求,以长度、密度、弹性模量为基本物理量,推导得出其他物理量的相似比。 试验模型系统相似关系见表 3。
表 2 现场实际材料物理力学参数
表 3 试验模型相似关系表
围岩材料采用河砂、黏土、水泥、水组成的混合物按质量比为 11 ∶ 0. 7 ∶ 0. 7 ∶ 1. 1 的比例模拟,破碎带材料采用河砂、碎石子、黏土组成拌合物按质量比为6 ∶ 1 ∶ 1 的比例模拟,隧道衬砌则以水、水泥、中砂按质量比为 1 ∶ 1. 6 ∶ 2. 3 的比例、采用预制加工的方法来模拟,衬砌厚度 10 mm,外径 200 mm。 衬砌模型如图 7 所示。 各材料物理力学参数见表 4 和表 5。 本次试验主要探究不均匀沉降下隧道衬砌变形规律,所以围岩埋设时并未考虑地层层理、结构面等因素。
图 7 衬砌模型
表 4 围岩模型材料物理力学参数
表 5 衬砌模型材料物理力学参数
4. 2 试验装置
本文所用试验装置是在参考信春雷等、刘学增等试验基础上设计的可模拟断层运动及地层不均匀沉降的双向滑移式物理模型箱,如图 8 所示。 该模型箱由上下 2 盘半封闭料斗、双向加载系统及滑轨等部分组成,总尺寸为 2 000 mm×800 mm×800 mm。 料斗四周由厚 15 mm 的钢化玻璃围成,前后两面玻璃在距料斗底部 30 cm 处留有衬砌模型放置口,玻璃表面用彩线描绘出大小为 100 mm×100 mm 的网格,以便确定衬砌模型与传感器埋设位置;两个料斗之间由滑轨连接,下盘料斗固定不动,上盘料斗可通过加载系统在千斤顶约束下沿导轨进行竖向与水平向运动。
图 8 物理模型箱
4. 3 监测布置
本试验的数据采集元件为 50 mm×3 mm 箔式电阻应变片。 监测内容主要为衬砌模型 D01—D07 7 个断面拱顶及拱腰处轴向应变,应变片粘贴好后在表面涂抹硅胶以防填料过程中对其造成损坏。 监测布置如图9 所示。
图 9 监测布置图(单位: cm)
4. 4 试验步骤
1)在衬砌模型表面布线并粘贴应变片,同时,模型箱上盘料斗竖向上升 3 cm,待稳定后,将模型箱内壁涂刷 1 层机油,方便试验完成后拆除模型箱内试验材料。
2)根据确定好的围岩材料配合比,计算各部分材料用量,搅拌机搅拌 5 ~ 10 min,待材料各组分搅拌均匀后加入水,继续搅拌 10~15 min,混合均匀后取出铺设至模型箱料斗中,并压实。
3)当填料至模型放置口后,将衬砌模型放置于模型箱中间位置,并继续填料压实直至距料斗底部 80cm。 静置 48 h,使模型箱内材料强度稳定。 模型静置如图 10 所示。
图 10 模型静置
4)试验前测试传感器读数,待稳定后记录初始读数。 开始试验,竖向千斤顶收缩,右料斗下降,速率控制在 1 mm / min,料斗每降 1 mm 记录 3 个数据,直至料斗下降 20 mm 或应变片拉断为止。
5) 试验结束后开挖料 斗, 并 按 建 筑 废 材 妥 善处置。
4. 5 试验结果分析
选取料斗固定段断面 D01、错动区断面 D04、料斗下降段断面 D07 3 个典型断面试验结果,其中周边为左右拱腰轴向应变平均值,分析后得各断面轴向应变随相对沉降量变化曲线,见图 11。
图 11 轴向应变随相对沉降量变化曲线
断面 D01 距错动面 60 cm,处于固定料斗中,从图
11(a)可以看出,总体上断面 D01 应变的变化范围在
初始值与第 1 次线性增长峰值之间波动。 断面 D04
位于错动区内,从图 11(b)可以看出,应变远大于断面
D01。 综合分析断面 D01 与 D04,衬砌模型拱顶与拱
腰轴向应变随相对沉降量增大,规律具有一致性。 其
变化过程大致可分为 5 个阶段: 第 1 阶段,相对沉降
量 0~1 mm,该阶段衬砌拱顶与拱腰应变随沉降量增
加而线性增长,衬砌变形为弹性应变; 第 2 阶段,相对
沉降量 1~9 mm,该阶段衬砌应变在一稳定值上下波
动,此时料斗内土体压密,衬砌模型管道姿态随料斗下
降而调整;第 3 阶段,沉降量 9 ~ 11 mm,该阶段衬砌应
变继续增大,从图 11(a)可以看出,增长并非线性,说
明这一阶段衬砌发生塑性变形;第 4 阶段,沉降量 11~
15 mm,应变在一稳定值上下波动,此时应为模型的强
度极限,料斗内土体进一步压密,衬砌模型管道姿态随
料斗下降再次调整;第 5 阶段,相对沉降量达 15 mm
后,衬砌应变陡增,模型断裂破坏。 这 5 个阶段总结即
为: 弹性应变、土体压密—姿态调整、塑性应变、土体
再压密—姿态再调整、断裂破坏。 由于模型围岩材料
近似于土体,这一规律对埋藏于土体,且没有考虑接头
效应的隧道或管道可能更加符合。 由图 11 还可以看
出,每个断面拱顶的应变为周边应变的 1. 75 ~ 2. 45
倍,与现场监测数据所表现的规律一致,即拱顶对不均
匀沉降的敏感度大于拱腰。
断面 D07 距错动面 50 cm,处于下降料斗中,从图11(c)可以看出,应变曲线较为波动,但总体上波动区间在初始值与第 1 次线性增长峰值之间,分析波动原因,应是该断面位于下降料斗,料斗下降产生的振动对数据的获取产生了影响。
衬砌开裂及破坏形态如图 12 所示。
图 12 衬砌开裂及破坏形态
不均匀沉降下错动面附近隧道衬砌变形破坏严重,且随着相对沉降量的增加发生了较大结构性破坏。错动面附近衬砌拱顶破坏最严重,其次为拱腰及仰拱,且上盘料斗衬砌破坏范围大于下盘料斗。 上盘料斗衬砌拱顶靠近工作面附近形成了 1 条裂缝并逐渐向远处拱腰延伸,形成了贯穿上盘料斗衬砌的 1 条裂缝。 下盘料斗衬砌错动面附近形成了一个斜剪切口,该斜面方向与错动面倾向一致,角度小于错动面倾角。 因此,实际工程中应注重衬砌在不均匀沉降地段或断层破碎带附近的监测与防护,可采用适当提高衬砌轴向及环向配筋率、设置沉降缝等方法来避免结构性破坏。
5 结论与讨论
通过对该工程现场监测数据的分析,结合数值模拟及室内模型试验对隧道不均匀沉降的模拟,得出以下结论及建议。
1)该隧道工程地质条件较差,围岩裂隙发育,稳
定性较差,隧道从Ⅳ级围岩过渡至Ⅴ级围岩过程中,拱
顶沉降量与周边收敛位移值逐渐增大,即围岩越破碎,
衬砌累计变形量越大,且变形越迅速。
2)该隧道 4 个监测断面的周边收敛位移值基本
均小于对应断面的拱顶沉降值,各断面拱顶沉降为周
边收敛的 1. 25 ~ 1. 75 倍,且围岩越破碎,拱顶沉降相
对于周边收敛增长倍数越大,即拱顶沉降对围岩完整
性的敏感度要大于周边收敛。
3)该隧道Ⅴ级围岩区间相对Ⅳ级围岩区间发生
了不均匀沉降,下降 15 mm 左右。
4)通过室内模型试验结果分析,不均匀沉降条件
下隧道轴向应变过程大致可分为 5 个阶段: 弹性应
变、土体压密—姿态调整、塑性应变、土体再压密—姿
态再调整、断裂破坏。 拱顶的轴向应变值为拱腰的
1. 75~2. 45 倍,即拱顶对不均匀沉降的敏感度大于拱
腰,属于隧道结构薄弱部位,当施工地质条件较差时,
应重点做好拱顶的监测与防护。
5)室内模型试验具有结果直观、不受工程现场条
件制约、周期短等优势,但目前采用室内模型进行隧道
跨断层破碎带力学行为的研究相对较少,今后可进一
步优化物理模型,建立完善可靠的监测平台,并综合考
虑地应力、地下水等复杂地质条件的影响。
摘自《隧道建设》