燕永平

(中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司 北京 101500)

1 引言

近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的基建建設(shè)中隧道工程占據(jù)了大量的工程建設(shè)比重，國(guó)內(nèi)外的諸多學(xué)者也對(duì)隧道進(jìn)行了大量的研究[1－2]。例如:周鑫等[3]以杭州地鐵3號(hào)線工大站～留和站盾構(gòu)區(qū)間雙線施工為依托，運(yùn)用三維有限元軟件模擬盾構(gòu)開(kāi)挖施工的全過(guò)程，研究開(kāi)挖過(guò)程對(duì)地層沉降及鄰近橋梁樁基影響規(guī)律。鮑先凱等[4]通過(guò)對(duì)貴陽(yáng)地鐵1號(hào)線望新區(qū)間隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素分析及施工方法的數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，研究了回填土大跨超淺埋地鐵隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性。劉淑紅等[5]為研究深埋非圓形隧道開(kāi)挖引起圍巖的彈性和黏彈性變形解析解，首先通過(guò)復(fù)變函數(shù)的方法，得到了圍巖中位移的彈性解；之后，根據(jù)彈性－黏彈性對(duì)應(yīng)原理，采用Burgers黏彈性模型，通過(guò)拉普拉斯變換和拉普拉斯逆變換，得到圍巖位移的黏彈性解。李巖松等[6]以省道205線老龍山隧道為工程背景，在考慮圍巖產(chǎn)狀影響的條件下利用薩道夫斯基爆破經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)老龍山隧道附近既有建筑的爆破影響進(jìn)行了分析研究。付曉強(qiáng)等[7]針對(duì)爆破信號(hào)干擾項(xiàng)消除難題，選取典型地鐵隧道工程監(jiān)測(cè)到的畸變爆破信號(hào)為分析對(duì)象，采用稀疏化基線估計(jì)與去噪算法實(shí)現(xiàn)了噪聲和趨勢(shì)項(xiàng)成分的提取，得到反映真實(shí)爆破信息的校正信號(hào)。吳鵬[8]以錨塞體－圍巖復(fù)合體的極限抗拔力學(xué)模型為基礎(chǔ)，以極限平衡法為核心對(duì)懸索橋隧道錨楔形塞體的極限抗拔承載力進(jìn)行了分析。曾志平等[9]采用有限元軟件建立了不同軌道模型，研究了不同軌道振動(dòng)波傳遞的規(guī)律。本文在上述學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，采用三維模擬、力學(xué)試驗(yàn)、爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段對(duì)軟巖地區(qū)的雙隧道開(kāi)挖建設(shè)進(jìn)行研究，旨在對(duì)該地區(qū)的雙隧道開(kāi)挖進(jìn)行全面解析，為雙隧道的安全施工提供科學(xué)的指導(dǎo)。

2 工程概況

某分離式雙線鐵路隧道穿越山脊，左線起訖樁號(hào)ZK2＋070～ZK2＋950，隧道長(zhǎng)880 m，設(shè)計(jì)縱坡0.539%和－0.75%的人字坡；右線起訖樁號(hào)K2＋070～K3＋035，隧道長(zhǎng)965 m，設(shè)計(jì)縱坡0.482%和－0.75%的人字坡；隧道最大埋深約110 m，凈距19～33 m，明洞5 m，洞身圍巖Ⅲ級(jí)1 611 m、Ⅳ級(jí)204 m、Ⅴ級(jí)25 m。該區(qū)域內(nèi)的主要地層大概有3種，由上至下分別為:上部覆土層、中部砂巖層和下部硬巖層。根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況建立的模型如圖1所示。隧道建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)條件主要為剝蝕、溶蝕地貌，溝谷縱橫，地勢(shì)條件相對(duì)比較復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)地形變化較大，且延伸方向不穩(wěn)定，近似為曲線走向，局部為陡壁。且隧道建設(shè)區(qū)域交通不便，隧道的埋藏區(qū)域位移構(gòu)造帶，區(qū)域內(nèi)存在次級(jí)斷裂和褶皺地質(zhì)條件，為一斷裂破壞加劇的復(fù)式向斜構(gòu)造，核部主要由三疊系、侏羅系地層。該構(gòu)造帶大部分與其東西側(cè)歹字形構(gòu)造復(fù)合，成為區(qū)內(nèi)活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、規(guī)模大、對(duì)區(qū)域沉積巖相、巖漿活動(dòng)、變質(zhì)作用起控制作用的構(gòu)造。該地區(qū)內(nèi)地下水主要受大氣降雨補(bǔ)給，同時(shí)地表水受降雨控制明顯，雨季流量大，枯水季節(jié)水量小。

圖1 模型示意

3 巖體的力學(xué)試驗(yàn)及質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.1 巖體的力學(xué)試驗(yàn)

該區(qū)域內(nèi)主要地質(zhì)巖層為3種，分別為上部覆土層、中部砂巖和底部的堅(jiān)硬巖層，隧道的建設(shè)主要集中在砂巖巖層中。因此研究中主要對(duì)砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析研究。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣的方式提取砂巖巖樣，并經(jīng)切割打磨為標(biāo)準(zhǔn)試件，而后進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，單軸力學(xué)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。研究中將上部土層的力學(xué)參數(shù)和下部硬巖的力學(xué)參數(shù)通過(guò)查表得到。

圖2 單軸抗壓試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(部分圖件)

根據(jù)圖2砂巖巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果可知，巖塊在受到垂直應(yīng)力的條件下，砂巖表現(xiàn)出不穩(wěn)定的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，說(shuō)明砂巖是不均勻的，力學(xué)性質(zhì)容易發(fā)生變化。試驗(yàn)過(guò)程中巖樣的殘余強(qiáng)度出現(xiàn)了4次，為安全起見(jiàn)，施工中以巖樣出現(xiàn)第一次峰值時(shí)的強(qiáng)度作為該砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度。經(jīng)計(jì)算得該巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度為27.63 MPa，彈性模量為8.76 GPa。

3.2 巖體的質(zhì)量評(píng)價(jià)

巖體的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法主要是通過(guò)經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得的巖石試件的物理力學(xué)性質(zhì)，并根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014)和Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)共同確定。巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)中除巖石試件的力學(xué)性質(zhì)外，還需要考慮巖層的結(jié)構(gòu)面、地下水，節(jié)理面粗糙程度、爆破擾動(dòng)以及結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)情況等。

因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔計(jì)算出巖石的RQD值，并根據(jù)上述因素計(jì)算得巖體的RMR和GSI值，而后采用巖體力學(xué)的計(jì)算公式即式(1)和式(2)對(duì)巖體的極限抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

巖體單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式:

巖體單軸抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式:

經(jīng)計(jì)算，并通過(guò)查閱《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014)及相關(guān)資料，將該區(qū)域內(nèi)的巖土體力學(xué)性質(zhì)匯總?cè)绫?所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

4 雙隧道開(kāi)挖靜力荷載數(shù)值分析

FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)巖土體的形變量具有良好的分析基礎(chǔ)，且運(yùn)算能力強(qiáng)大，對(duì)各類巖土體均有優(yōu)越的算法，涉及各類巖土體的彈性模量、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、抗拉強(qiáng)度等都可進(jìn)行系統(tǒng)的分析。本文研究中的雙隧道開(kāi)挖中主要巖層為砂巖。由于砂巖的物理形變性質(zhì)為彈塑性力學(xué)性質(zhì)，因此隧道的破壞滿足彈塑性變形性質(zhì)，即破壞形式主要分為:彈性變形階段、塑性變形階段和殘余變形階段。在此地質(zhì)條件下，采用基于彈塑性應(yīng)變理論的三維數(shù)值模擬方式對(duì)區(qū)域內(nèi)的巖土體進(jìn)行專項(xiàng)模擬，隧道的開(kāi)挖部分采用空單元模型[10]模擬，采用摩爾－庫(kù)倫彈塑性理論[11－12]進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算中對(duì)三維隧道模型進(jìn)行邊界設(shè)置，由于計(jì)算參數(shù)是根據(jù)試驗(yàn)和規(guī)范計(jì)算得來(lái)，因此設(shè)模型為均質(zhì)體，計(jì)算中不考慮地下水的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的地應(yīng)力對(duì)模型的頂部和四周進(jìn)行應(yīng)力邊界設(shè)置。模型的底部和四周為固定邊界，模型頂部在設(shè)置重力作用后，設(shè)置為自由邊界。

為了解該區(qū)域內(nèi)的巖層地質(zhì)條件在隧道開(kāi)挖后的情況及應(yīng)力分布情況，對(duì)雙隧道開(kāi)挖后的周邊巖體位移及應(yīng)力進(jìn)行全面分析。由于隧道上部存在上覆巖層，上覆巖層主要受重力作用的影響；而隧道開(kāi)挖時(shí)監(jiān)測(cè)隧道的收斂情況及隧道的水平方向位移。因此模擬中主要對(duì)隧道的水平位移和垂直應(yīng)力進(jìn)行全面的分析討論。

由圖3可知，隧道開(kāi)挖后，隧道兩側(cè)的位移變化相對(duì)較大，主要位移集中在雙隧道的相鄰兩側(cè)(即雙隧道中部巖柱)。其最大位移量為280 mm，該區(qū)域內(nèi)的位移量大大超出了巖體的形變量，說(shuō)明隧道開(kāi)挖后，需進(jìn)行支護(hù)，否則有塌陷危險(xiǎn)。

圖3 雙隧道開(kāi)挖后隧道位移云圖

根據(jù)圖4可知，雙隧道開(kāi)挖后，隧道上部和周邊的垂直應(yīng)力分布相對(duì)均勻，且雙隧道頂部受到的垂直應(yīng)力相對(duì)較大。眾所周知，隧道的拱頂破裂為巖石的拉伸破壞。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，雙隧道頂部的應(yīng)力達(dá)0.05 MPa，而巖體的極限拉伸破壞強(qiáng)度約為0.01 MPa，大大超出了巖體的極限抗拉強(qiáng)度，因此，開(kāi)挖過(guò)程中，隧道頂部的巖層可能會(huì)垮塌。

圖4 雙隧道開(kāi)挖后隧道周邊垂直應(yīng)力分布

由圖5可知，雙隧道開(kāi)挖后，1＃隧道左右拱腰的位移變化量存在很大差異。其中，1＃隧道左腰的位移量遠(yuǎn)小于隧道右腰的位移量。雖然左右拱腰的位移量均隨著開(kāi)采的進(jìn)行不斷上升，但是隧道左腰的位移量上升趨勢(shì)較小，且處于可控狀態(tài)，而1＃隧道右腰的位移量近似呈“指數(shù)”增長(zhǎng)，位移量處于不可控狀態(tài)，由此可知，1＃隧道右腰極易出現(xiàn)坍塌、片幫等現(xiàn)象。

圖5 1＃隧道左右拱腰水平位移分析

由圖6可知，雙隧道開(kāi)挖后，2＃隧道左右拱腰的位移變化量存在很大差異。其中，2＃隧道右腰的位移量遠(yuǎn)小于隧道左腰的位移量。2＃隧道開(kāi)挖后的隧道形變量與1＃隧道極為相似，均處于上升狀態(tài)。且隧道右腰處于可控狀態(tài)，隧道左腰的位移量近似呈“指數(shù)”增長(zhǎng)，位移量處于不可控狀態(tài)，因此2＃隧道的左腰同1＃隧道的右腰一樣，可能出現(xiàn)片幫等不良施工現(xiàn)象。

圖6 2＃隧道左右拱腰水平位移分析

綜上所述，該區(qū)域內(nèi)隧道的開(kāi)挖需進(jìn)行超前支護(hù)，并需要在施工過(guò)程中對(duì)隧道的收斂情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)踐證明，此雙隧道開(kāi)挖支護(hù)方式實(shí)施以來(lái)，隧道的內(nèi)部形變量很低，由此可見(jiàn)，采用超前支護(hù)的方法對(duì)隧道的開(kāi)挖有良好的保護(hù)作用。

上述對(duì)隧道的分析只考慮了隧道的靜力荷載條件，由于隧道所處的巖層為砂巖，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)不太穩(wěn)定，且力學(xué)性質(zhì)的分布也不均勻，因此開(kāi)挖過(guò)程中采用爆破的方式進(jìn)行，局部巖段采用的裝藥量會(huì)相對(duì)較大，因此需對(duì)部分裝藥量大的位移進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，以保證相鄰隧道的安全。

5 雙隧道爆破振動(dòng)分析

根據(jù)隧道的開(kāi)挖順序及上述的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1＃隧道的右腰和拱頂還有2＃隧道的左腰和拱頂存在坍塌和垮落的風(fēng)險(xiǎn)，因此，分別在1＃隧道的右腰、拱頂和2＃隧道的左腰和拱頂分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中1＃隧道右腰和拱頂?shù)谋O(jiān)測(cè)點(diǎn)為1＃監(jiān)測(cè)點(diǎn)和2＃監(jiān)測(cè)點(diǎn)，2＃隧道的左腰和拱頂為3＃監(jiān)測(cè)點(diǎn)和4＃監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括爆破振動(dòng)波在三維方向上的傳播速度，即x方向、y方向和z方向(x方向?yàn)樗淼赖乃椒较?，y方向?yàn)樗淼赖目v向方向，z方向?yàn)樗淼赖拇怪狈较?。根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)波形圖(1＃測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖7，其他測(cè)點(diǎn)限于篇幅未列)分析如下:

圖7 1＃測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)波形

(1)從圖7可以看出，在采用超前支護(hù)的前提條件下，2＃隧道爆破時(shí)對(duì)1＃隧道右腰和拱頂?shù)臄_動(dòng)相對(duì)較小。其中1＃x方向的最大爆破速度約為0.17 cm/s；z方向的爆破速度次之，約為0.15 cm/s；y方向的傳播速度最小，約為0.13 cm/s。

(2)2＃監(jiān)測(cè)點(diǎn)x方向的最大爆破速度約為4.09 cm/s；y方向的爆破速度次之，約為3.76 m/s；z方向的傳播速度最小，約為3.00 cm/s。說(shuō)明爆破振動(dòng)波對(duì)隧道拱頂水平方向的爆破振動(dòng)最大。

(3)1＃隧道爆破時(shí)對(duì)2＃隧道右腰和拱頂?shù)臄_動(dòng)也不大。其中3＃監(jiān)測(cè)點(diǎn)x方向的最大爆破速度約為0.50 cm/s；y方向的爆破速度次之，約為0.31 m/s；z方向的傳播速度最小，約為0.30 cm/s。

(4)4＃監(jiān)測(cè)點(diǎn)x方向的最大爆破速度約為3.45 cm/s；y方向的爆破速度次之，約為2.40 m/s；z方向的傳播速度最小，約為1.90 cm/s。說(shuō)明爆破振動(dòng)波對(duì)隧道拱頂水平方向的爆破振動(dòng)最大。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某鐵路雙隧道開(kāi)挖過(guò)程中的地質(zhì)條件影響和施工爆破影響進(jìn)行了全面的分析，具體結(jié)論如下:

(1)雙隧道的開(kāi)挖巖層為砂巖，其物理力學(xué)性質(zhì)容易發(fā)生變化，試驗(yàn)過(guò)程中巖樣的殘余強(qiáng)度出現(xiàn)了4次，說(shuō)明砂巖是不均勻的。根據(jù)安全最大化的原則，經(jīng)計(jì)算砂巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度為27.63 MPa，彈性模量為8.76 GPa。

(2)通過(guò)數(shù)值分析可知，隧道開(kāi)挖時(shí)，周邊巖體很不穩(wěn)定，極易發(fā)生冒落及片幫，在開(kāi)挖前對(duì)周邊巖體采用超前預(yù)加固措施，可確保隧道開(kāi)挖安全、穩(wěn)步進(jìn)行。

(3)通過(guò)對(duì)雙隧道的爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)可知，雙隧道在開(kāi)挖過(guò)程中，爆破振動(dòng)無(wú)論是拱頂上還是左右拱腰上，振動(dòng)對(duì)另外一個(gè)隧道的水平方向影響最大，因此爆破開(kāi)挖中應(yīng)采用微差控制爆破來(lái)控制爆破的擾動(dòng)，以維護(hù)隧道的穩(wěn)定性。