石门隧道围岩松动圈确定方法及应用
隧道开挖时, 围岩受到扰动而产生应力重分布, 使应力由三向转变为近似二向, 当围岩强度下降到小于分布应力值时围岩发生破裂, 逐渐形成一个松动带, 由于该区域围岩体均已屈服, 形成塑性松动圈。
目前国内围岩松动圈的研究方法很多, 归纳起来主要有3种:理论分析、数值模拟以及室内外试验测试, 相对准确的方法是室内外试验测试。
1 工程概况
宝汉高速公路是我国西部南北大通道的重要组成部分, 是陕西省规划建设的高速公路网中3条南北纵线之一。新建石门隧道为宝汉高速公路坪坎—汉中 (石门) PH-13合同段的分离式单向3车道隧道, 设计时速80km。左线隧道长8 262m, 右线隧道长8 226m, 属特长隧道。左、右线隧道中心间距50m, 两者地形地貌、地质条件完全相同, 强中微风化片麻岩和中微风化大理岩, 无不良地质作用, 开挖方式以台阶法为主, 隧道埋深较大, 局部存在高应力情况。
隧道V, IV级围岩设计采用带仰拱的曲墙式衬砌, III级围岩设计采用不带仰拱的曲墙式衬砌, 锚喷支护。隧道建筑限界:净宽16.50m, 净高5.50m;设计内轮廓拱墙部分为内半径R=7.50m的单心圆, 仰拱内半径为21.88m, 最大开挖宽度18.0m。
2 主要研究内容
在总结和分析围岩松动圈已有成果的基础上, 以宝汉高速公路石门隧道为依托工程, 采用弹塑性理论分析、数值模拟、室内试验、现场测试相结合的方法分析围岩松动圈分布范围和规律, 并以此为依据优化不同围岩隧道初期支护设计参数, 并现场监测优化效果。
3 隧道围岩松动圈的确定方法及分析研究
3.1 弹塑性理论计算
研究过程中共选取3种分别为Ⅲ级围岩YK186+025、Ⅳ级围岩ZK183+647、Ⅴ级围岩YK184+825典型围岩断面进行参数选择并理论计算围岩松动圈厚度。
3.1.1 基于Hoke-Brown强度准则的弹塑性理论计算
在松动圈上, 围岩的切向应力等于初始地应力, Hoke-Brown破坏准则的弹塑性理论计算在Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ级围岩条件下理论计算结果如表1所示。
表1 Hoke-Brown破坏准则的松动圈厚度
Table 1 Thickness of loose circle of Hoke-Brown failure criterion
m
3.1.2 考虑中间主应力的修正Hoke-Brown强度准则的弹塑性理论计算
考虑中间主应力的修正Hoke-Brown破坏准则计算得到的松动圈厚度随洛德参数的增大而减小, 甚至出现负值, 即未形成松动圈。同时, 对洛德参数与松动圈厚度进行拟合函数回归分析并计算相关性系数, 计算结果表明, 是否考虑中间主应力对隧道围岩松动圈影响较大。同时, 洛德参数与围岩松动圈半径关系密切。
3.2 数值模拟分析
隧道开挖时, 围岩受到扰动产生应力重分布而产生松动圈。松动圈内岩体所受应力超过岩体强度, 围岩则进入塑性状态或发生破坏。可根据数值分析软件生成的塑性区图得出围岩塑性区位置, 再分析塑性区产生屈服的位置, 进行松动圈范围的界定。数值模拟方法采用MIDAS GTS商业软件进行。
3.2.1 参数选取
由于隧道围岩为片麻岩和大理岩, 具体材料参数由工程实测数据, 并查阅《工程地质手册》中相关材料的参数取值, 最终确定岩体的物理力学参数。
3.2.2 模型建立
数值模拟计算时, 模型宽120m, 下部取60m, 上部取100m, 沿隧道开挖方向取3m。采用二台阶法开挖, 模拟一个进尺, 模型及网格划分共1 487个节点、4 599个单元。
3.2.3 数值模拟分析
随着隧道的开挖掘进, 当硐室周边围岩局部区域应力超过岩体强度, 岩体物理状态即随之发生改变, 围岩进入塑性破坏状态, 结合松动圈 (围岩破损区) 范围确定的理论方法, 认为岩体屈服即形成硐室周边松动圈, 由计算软件查看模型开挖后发生拉伸及剪切屈服破坏单元, 松动圈范围是从模拟结果中的塑性区云图中查看网格尺寸而得到。
一般情况下, 认为岩石的抗拉强度为抗压强度的1%～8%, 由岩石的单轴饱和抗压强度即可求出岩石的抗拉强度。Ⅲ级围岩隧道开挖时, 围岩应力云图如图1所示。
图1 Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩应力云图
Fig.1 Stress nephogram of surrounding rock of grade III, IV and V
由图1a可见, 试验测得Ⅲ级岩石的饱和单轴抗压强度为94.18MPa, 则其极限抗拉强度为5.26～7.01MPa。同时, 可得出边墙处的松动圈厚度为0.7～1.2m, 拱顶处的松动圈厚度为1.1～1.5m。Ⅳ级围岩隧道开挖时, 围岩应力云图如图1b所示。由图1b可见, Ⅳ级岩石的饱和单轴抗压强度为79.33MPa, 则其极限抗拉强度为2.42～5.59MPa。同时, 可得出边墙处的松动圈厚度为1.4～2.1m, 拱顶处的松动圈厚度为2.0～2.5m。Ⅴ级围岩隧道开挖时, 围岩应力云图如图1c所示。由图1c可见, Ⅴ级岩石的饱和单轴抗压强度为63.18MPa, 则其极限抗拉强度为0.72～3.21MPa。同时, 可得出边墙处的松动圈厚度为2.4～3.0m, 拱顶处的松动圈厚度为2.5～3.3m。
数值模拟计算得到的Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩松动圈厚度如表2所示。
表2 松动圈厚度模拟计算结果
Table 2 Simulated calculation results of loosening circle thickness
m
3.3 松动圈测试
松动圈显著特点是应力和强度都有明显下降, 裂隙扩张, 容积扩大, 出现明显的塑性滑移现象, 若没有足够的支护抗力无法保持围岩的平衡状态。
3.3.1 破碎岩石室内完整性测试
室内试验采用岩石打磨机、游标卡尺、RSM-SY5 (T) 非金属声波测试系统 (精度0.01km/s) 、微机控制电液侍服万能试验机 (量程1 000kN) 等试验仪器。采用现场取样、室内加工的方式, 在Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ级围岩段分别采集岩石样本, 制成标准的圆柱体试块。
在完整岩块两端均匀涂抹凡士林, 用非金属声波测试系统测试完整岩块的纵波波速。
将试块置于试验机承压板中心, 调整试验机均匀接触。以0.5MPa/s的速度加载直至试件破坏, 试件破坏后试验机自动停止。取下破碎后的试块, 将试块两侧均匀涂抹凡士林用作耦合, 用声波测试仪测试破碎岩石纵波波速。
根据室内试验所测得的数据并统计, 各取10块试件完整性系数平均值为石门隧道Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ级围岩强风化片麻岩的破碎岩石完整性系数Rv。
3.3.2 围岩松动圈声波法现场测试
岩质较好、裂隙不发育的隧道松动圈现场测试方法多采用声波法。现场声波法测试示意如图2所示。
图2 声波法测试示意
Fig.2 Acoustic testing
室外现场测试所采用的仪器为RSM-SYS5 (T) 声波探测仪, 该系统包括RSM-SYS5 (T) 非金属声波检测仪、一发双收探头、推送导杆、水泵、数据传输线等其他辅助工具。
研究过程中共选取10个断面进行围岩松动圈的测试工作, Ⅲ级围岩为4个断面 (具体为YK186+025, YK186+110, ZK185+831和YK185+447断面) 、Ⅳ级围岩为4个断面 (具体为ZK183+647, ZK184+665, YK183+590和YK183+610断面) 、Ⅴ级围岩为2个断面 (YK184+825和ZK183+580断面) 。每个测试断面选取4个测试点, 分别位于左、右边墙及拱肩处。在每个测点孔深为4.0m, 孔径为40mm。监测断面及测点布设如图3所示。
3.3.3 室内和室外现场实测结果分析
测出不同深度处的岩体纵波波速, 画出各断面孔深-波速曲线图, 得出岩体纵波波速随着孔深的增加不断增大, 并逐渐趋于稳定, 随着孔深的增加围岩受到开挖的影响越来越小, 岩体的破碎程度也是逐渐降低。距离洞周最远处受到的扰动最小, 可近似将此处的围岩看作原始围岩, 可将其波速作为原始岩体纵波速度vyt。
图3 声波测孔布设
Fig.3 Layout of acoustic boreholes
通过室内试验已测出的Rv和现场测得的原始岩体纵波速度可得出vpt, 对应到具体的孔深-波速曲线图中得出各位置处的松动圈厚度。根据现场实测结果, 绘制松动圈示意图, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ级围岩松动圈厚度分布如图4所示。
图4 YK186+025, ZK183+647, YK184+825断面松动圈分布 (单位:m)
Fig.4 Distribution of loose circles in YK186+025, ZK183+647, YK184+825 sections (unit:m)
由图4可看出, 围岩等级越高松动圈厚度越大。Ⅲ级围岩松动圈厚度相对较小, Ⅳ级围岩松动圈厚度相对较大, Ⅴ级围岩松动圈厚度最大。随着围岩条件变差, 岩石强度降低, 自承能力减弱, 支护结构受力加大, 在进行支护结构设计时要加强支护参数设置。
3.4 对比分析结果
将实测数据分别与考虑和不考虑中间主应力的修正Hoke-Brown破坏准则的松动圈厚度计算进行对比, 结果如表3所示。
不考虑中间主应力时, 计算得到的松动圈厚度明显偏大;考虑中间主应力时, 所得到的松动圈厚度与实测值较接近, 说明中间主应力对松动圈厚度的影响较大。
通过应用理论分析、数值模拟、室内和室外现场实测得出石门隧道工程围岩松动圈的确定方法及分析结论如下。
1) 考虑中间主应力时, 松动圈计算厚度明显变小, 主要是由于考虑中间主应力后岩石的强度明显提高。
2) 由松动圈实测值明显低于理论计算值可见, 当实际岩体破坏时, 受到中间主应力的影响, 其强度有了一定提高。
表3 松动圈结果对比
Table 3 Comparison of the result of loose circle
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3) 由松动圈影响因素分析过程可见, 随着洛德参数的增加, 松动圈厚度逐渐减小, 并且呈现出显著的负线性相关关系。
4) 根据石门隧道10个断面的围岩松动圈测试结果, 当隧道围岩为Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ级时, 松动圈厚度分别为0.72～0.83, 0.81～1.23, 1.53～2.07m。
4 优化设计支护参数及现场应用的效果监测
4.1 初期支护设计参数优化
通过应用理论分析、数值模拟、室内和室外现场实测方法, 得出石门隧道工程围岩松动圈的厚度, 可针对隧道初期支护设计进行优化。石门隧道锚杆优化前后的参数对比如表4所示。
表4 优化前后支护参数对比
Table 4 Comparison of support parameters beforeand after optimization
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对锚杆的长度与间距进行相应调整, 达到节省成本和满足安全的要求。
4.2 施工现场应用效果监测
对初期支护设计进行优化后, 在同类围岩的里程段内选取标准断面, 验证优化后的初期支护段的结构形式、支护参数及支护结构的合理性, 真实掌握围岩和支护的动态信息, 对其进行安全监测, 并对其进行评价。
4.2.1 监控量测断面及测点布置
现场选取Ⅲ级围岩6个断面 (YK186+160, YK186+230, YK186+300, YK186+400, ZK185+500和ZK185+570断面) 、Ⅳ级围岩6个断面 (ZK184+670, ZK184+690, YK183+620, YK183+660, YK185+375和YK185+417断面) 、Ⅴ级围岩2个断面 (YK184+860和YK184+895断面) 共9个初期支护参数优化区间进行监测。
周边收敛与拱顶下沉测点布设如图5所示。
图5 测点、测线布设 (单位:m)
Fig.5 Layout of measuring points and lines (unit:m)
4.2.2 监控量测结果分析
根据石门隧道地质条件, 结合围岩等级以及隧道埋深, 隧道拱顶下沉允许值:Ⅲ级围岩取30mm, Ⅳ级围岩取60mm, Ⅴ级围岩取90mm。
对优化的9个区段共10个断面进行监控量测, 监测结果表明:周边收敛最大值为YK184+860断面AB测线, 收敛值为16.15mm;拱顶沉降最大值为YK184+895断面测点3, 沉降值为17.62mm。依据JTG F60—2009《公路隧道施工技术规范》, 各项指标均符合要求, 优化后的锚杆长度既满足安全施工的要求, 又可大幅节约建设成本。
5 结语
隧道围岩松动圈的确定对于隧道施工安全、支护参数的优化具有重要意义。通过理论分析、数值模拟、室内试验和现场实测相结合的方法对石门隧道围岩松动圈的确定方法进行了研究, 并进行了典型断面现场测试和验证, 结论如下。
1) 综合理论分析、现场实测、数值模拟、室内和室外现场实测, 最终确定了石门隧道的Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ级围岩的松动圈厚度为0.72～0.83, 0.81～1.23, 1.53～2.07m, 并以此优化了隧道支护参数。
2) 根据所得松动圈厚度, 对隧道系统锚杆参数进行了优化, 并对Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ级围岩10个断面进行了监控量测。监测结果表明:10个拱部沉降监测断面沉降值最大为17.62mm, 10个净空收敛监测断面净空收敛值最大为16.15mm, 隧道变形较小, 说明支护结构合理, 隧道围岩变形稳定。
本研究得出中间主应力对松动圈厚度有一定的影响, 但实际工程中岩体的中间主应力取值问题无法准确确定, 后续工程有机会可就围岩中间主应力的取值进行深入研究。
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