袁楓斌, 陳文智, 何東芝

(北京建達(dá)道橋咨詢有限公司, 北京 100195)

20世紀(jì)90年代以來,我國公路隧道建設(shè)迎來快速發(fā)展期,隨著隧道里程在公路長度中所占比例越來越大,隧道的建設(shè)規(guī)模與結(jié)構(gòu)形式更是變得多種多樣。單車道隧道首次出現(xiàn)在歷史舞臺中,隨著時間的推移逐漸發(fā)展為雙車道隧道,之后不斷地向著三車道、四車道隧道進(jìn)發(fā)。隨之而來的是山嶺隧道的開挖方法的改進(jìn),從最初始的傳統(tǒng)礦山法不斷優(yōu)化為新奧法及掘進(jìn)機法(tunnel boring machine,TBM)。但是,目前現(xiàn)有的公路隧道規(guī)范及技術(shù)文件在施工開挖方法設(shè)計方面僅對雙車道隧道及三車道隧道做了明確規(guī)定及說明,而四車道超大斷面隧道施工開挖方法設(shè)計并未有規(guī)定。隧道施工開挖方法與隧址區(qū)圍巖設(shè)計有極其密切的聯(lián)系,因此,隧道圍巖動態(tài)設(shè)計尚需更加深入的研究總結(jié)。隧道工程屬于隱蔽性工程,在設(shè)計過程中按照相關(guān)規(guī)范要求,并在繼承初步勘察成果基礎(chǔ)下完成隧道的勘察工作,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行隧道工程設(shè)計。但對于目前公路隧道勘察設(shè)計手段,任何隧道都無法精準(zhǔn)預(yù)測其圍巖等級,這是由地質(zhì)勘查不確定性所導(dǎo)致的。因此,針對隧道工程的圍巖動態(tài)設(shè)計十分有必要。針對隧道圍巖動態(tài)設(shè)計,國內(nèi)外學(xué)者已做了部分研究。馬超峰等[1]首先希望建立起數(shù)學(xué)模型Bieniawski模型,之后進(jìn)一步指定影響圍巖分級的各個因素的影響權(quán)重;隨后針對圍巖動態(tài)分級影響因素進(jìn)行打分,用字符RMD表示該評分,當(dāng)然在評分過程中需要明確各因素的定性特征和定量指標(biāo),同時要針對各個影響因素指定相應(yīng)的評分區(qū)間,最后進(jìn)行圍巖動態(tài)分級研究。經(jīng)過一系列研究后發(fā)現(xiàn),用字符RMD表示的評分與[BQ]值變化規(guī)律相似,整體呈線性關(guān)系,并且采用該方法進(jìn)行分級后的結(jié)果與BQ法有很好的貼合性。張輝[2]主要考慮隧道信息化施工原則,通過一系列試驗、數(shù)值模擬等綜合手段,著重分析了高速公路隧道的圍巖穩(wěn)定性,針對正處于施工過程中的高速公路隧道圍巖動態(tài)分級進(jìn)行深入探討。王宇[3]在現(xiàn)場進(jìn)行了較多的室外試驗,并結(jié)合室內(nèi)試驗的方法,深入研究了如何進(jìn)行圍巖分級參數(shù)指標(biāo),以此方法進(jìn)行圍巖動態(tài)分級。還有學(xué)者以勘察資料為基礎(chǔ)進(jìn)行地質(zhì)情況分段,并結(jié)合物探手段探測成果指標(biāo)以及物探偏移圖像為基礎(chǔ),組成機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本;然后,建立計算機深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練框架及訓(xùn)練樣本,進(jìn)而開始圍巖等級的預(yù)測,建立圍巖類別預(yù)測模型;最后,結(jié)合隧道新開挖段落圍巖情況逐漸地完善與改進(jìn)已經(jīng)建立的模型。但目前的研究成果只揭示了圍巖動態(tài)分級的影響因素及指標(biāo)參數(shù),并未建立起統(tǒng)一的隧道圍巖動態(tài)設(shè)計體系,從而使隧道工程設(shè)計存在安全性不足或者經(jīng)濟浪費的現(xiàn)象。

道吾山特長隧道為上、下行分離式六車道一級公路隧道。隧址圍巖巖體為強風(fēng)化砂質(zhì)板巖、中風(fēng)化砂質(zhì)板巖、微風(fēng)化砂質(zhì)板巖、強風(fēng)化花崗巖,中風(fēng)化砂質(zhì)板巖為隧道洞身段圍巖的主要組成部分,砂質(zhì)板巖地層占隧道總長的90%,根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆孔揭露巖體情況顯示,砂質(zhì)板巖巖質(zhì)較硬,巖體較完整。隧道緊急停車帶設(shè)計凈寬17.69 m,設(shè)計凈高11.16 m,扁平率為0.63,開挖斷面最大面積為163.55 m2,屬于低扁平率大斷面隧道。以道吾山特長隧道為依托工程,綜合隧道圍巖動態(tài)設(shè)計的各個影響因素,采用統(tǒng)計學(xué)公式,結(jié)合現(xiàn)場實際強度檢測試驗結(jié)果及現(xiàn)場掌子面圍巖實際情況,針對大斷面砂質(zhì)板巖隧道圍巖分級進(jìn)行分析,提出切實可靠的圍巖動態(tài)分級指標(biāo),建立大斷面砂質(zhì)板巖隧道圍巖動態(tài)設(shè)計體系,期望達(dá)到圍巖動態(tài)設(shè)計的目的,使隧道設(shè)計更符合實際情況,更經(jīng)濟合理,進(jìn)而使隧道工程價值功能最大化。

1 隧道圍巖動態(tài)設(shè)計影響因素

1.1 圍巖飽和抗壓強度

在整體結(jié)構(gòu)的巖體中,控制圍巖穩(wěn)定性的主要因素是巖石的力學(xué)性質(zhì),尤其是巖石的強度。一般來說,巖石強度越高坑道越穩(wěn)定。在圍巖分類中所說的巖石強度指標(biāo),都是指巖石的單軸飽和極限抗壓強度,因此,圍巖飽和抗壓強度從根本上影響圍巖等級。圍巖強度與圍巖等級呈正比例關(guān)系。跟隨隧道開挖,在現(xiàn)場進(jìn)行飽和抗壓試驗。進(jìn)口段ZK1+527～ZK1+877取樣6個,經(jīng)飽和抗壓試驗得圍巖飽和抗壓強度分別為45、37、67、35、66、79 MPa,標(biāo)準(zhǔn)值為39 MPa。出口段ZK5+507～ZK5+677取樣8個,經(jīng)飽和抗壓試驗得圍巖飽和抗壓強度分別為93、28、98、85、47、32、100、82 MPa,標(biāo)準(zhǔn)值為51 MPa。從這些試驗數(shù)據(jù)可知,道吾山隧道進(jìn)出口圍巖飽和抗壓強度均大于30MPa,圍巖抗壓強度較高,均屬于硬質(zhì)巖范圍。

1.2 圍巖完整性

巖體的結(jié)構(gòu)特征是長時間地質(zhì)構(gòu)造運動的產(chǎn)物,是控制巖體破壞形態(tài)的關(guān)鍵。從穩(wěn)定性分類的角度來看,巖體的結(jié)構(gòu)特征可以簡單地用巖體的破碎程度或完整性來表示。在某種程度上它反映了巖體受地質(zhì)構(gòu)造作用嚴(yán)重的程度。實踐證明,圍巖的破碎程度對隧道的穩(wěn)定與否起主導(dǎo)作用,在相同巖性的條件下,巖體越破碎,坑道就越容易失穩(wěn)。因此,在近代圍巖分類法中,都將巖體的破碎或完整狀態(tài)作為分類的基本指標(biāo)之一,因此,圍巖完整性性狀也直接影響圍巖等級劃分[4]。巖體完整性系數(shù)(Kv)可以表達(dá)圍巖完整性,因此針對不同的工程地質(zhì)巖組、段落,認(rèn)真選擇十分具有代表性的開挖斷面,采用測試巖體彈性縱波速度,并在同一巖體中間取樣測定該段落巖石縱波速度的方法,計算Kv值,以此確定圍巖完整性。

選取進(jìn)口段ZK1+527～ZK1+877及出口段ZK5+507～ZK5+677,采用物探法分別測定兩段巖體縱波波速為3 500 m/s、4 400 m/s,進(jìn)而計算得到進(jìn)口段巖體完整性系數(shù)(Kv)為0.60,出口段巖體完整性系數(shù)(Kv)為0.65。且采用三臺階拉中槽分步開挖時,開挖拱頂+中槽后,拱頂沉降及收斂均開始增加,且開挖前7天內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)變形變化速率較快,拱頂沉降與水平收斂變形值極為接近,均達(dá)到了6 mm。隨著后續(xù)的部分不斷開挖,以及初期支護的進(jìn)一步加固隧道結(jié)構(gòu),拱頂沉降及水平收斂變化趨于穩(wěn)定,但是拱頂沉降累計變化值大于水平收斂累計值,兩者趨于穩(wěn)定時相差約1 mm,但是變形值均趨于穩(wěn)定。由此可見,進(jìn)出口段圍巖完整性及穩(wěn)定性較好。

1.3 地下水

隧道施工建設(shè)過程中,地下水的影響是不可忽略的。首先地下水的滲漏,由于水是有張力的,受到水張力的影響,地下水逐漸向下滲漏,會影響隧址區(qū)圍巖情況,因此,地下水的狀態(tài)也很大程度地影響著圍巖等級的劃分,同時隧道穿越的山體的構(gòu)造、地層情況、巖石性質(zhì)等因素又進(jìn)一步控制了地下水的類型及富水狀況。通過地質(zhì)學(xué)的研究,可以在分析地層巖性及含水孔隙類型的基礎(chǔ)上,針對地下水進(jìn)行類型劃分,具體可劃分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、碳酸巖巖溶水。道吾山特長隧道隧址區(qū)范圍內(nèi)地下水以第四系松散堆積孔隙水、風(fēng)化基巖裂隙水為主。道吾山特長隧道隨著現(xiàn)場掌子面開挖,發(fā)現(xiàn)地下水出水情況為潮濕或點滴狀出水,掌子面較干燥?，F(xiàn)場開挖的巖面出水情況如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場開挖斷面

1.4 主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀

軟弱結(jié)構(gòu)面在隧道施工中的力學(xué)特性變化也極其重要。眾所周知,巖體均有不同的地層產(chǎn)狀,而不同的產(chǎn)狀,對隧道結(jié)構(gòu)施工中的穩(wěn)定性影響也不同,比如巖層傾向為順層時,對隧道掌子面開挖穩(wěn)定性極其不利。因此,在圍巖動態(tài)設(shè)計過程中還需要考慮軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其與隧道洞軸線的組合關(guān)系是如何影響圍巖等級的劃分問題。當(dāng)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的軟弱結(jié)構(gòu)面走向與隧道洞軸線夾角較小,就說明軟弱結(jié)構(gòu)面的傾角越小,進(jìn)一步推導(dǎo)出圍巖巖體質(zhì)量指標(biāo)越小,從而導(dǎo)致圍巖等級越低。道吾山特長隧道隨著現(xiàn)場掌子面開挖,圍巖不斷揭露,發(fā)現(xiàn)進(jìn)出口段圍巖整體呈層理板狀構(gòu)造,軟弱夾層少,且產(chǎn)狀與洞軸線夾角較大[8-10]。

1.5 初始應(yīng)力狀態(tài)

圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)場是影響隧道圍巖的破壞、變形及穩(wěn)定性的最基本的作用力,當(dāng)隧道開挖時,圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)受外力影響發(fā)生變化,進(jìn)行應(yīng)力重分布,當(dāng)巖石強度較高時,且在掌子面開挖過程中頻繁地伴有巖爆現(xiàn)象發(fā)生,洞壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象,掌子面開挖后新生裂縫增多,說明圍巖整體初始地應(yīng)力高,成洞性差,在圍巖動態(tài)設(shè)計中應(yīng)著重考慮。道吾山特長隧道隨著現(xiàn)場掌子面開挖,圍巖不斷揭露,發(fā)現(xiàn)進(jìn)出口段圍巖成洞性較好,開挖后無巖爆、掉塊現(xiàn)象發(fā)生。

2 隧道圍巖動態(tài)設(shè)計體系

綜合分析前文圍巖分級影響因素,采用隧道圍巖動態(tài)設(shè)計體系對依托工程道吾山特長隧道圍巖進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化設(shè)計,以此為依托,進(jìn)一步驗證本文的隧道圍巖動態(tài)設(shè)計體系。

2.1 圍巖飽和抗壓強度修正標(biāo)準(zhǔn)值

測定圍巖飽和抗壓強度時,需要進(jìn)行現(xiàn)場取樣。由于圓形試樣具有軸對稱性,試樣應(yīng)力分布均勻,在室內(nèi)試驗時加工方便,因此規(guī)定直徑為50 mm+2 mm,高度為直徑2.0倍的圓柱形試樣作為標(biāo)準(zhǔn)試樣。采用該標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行室內(nèi)單軸飽和抗壓強度試驗,進(jìn)而得到圍巖飽和抗壓強度值。

考慮到部分取樣試件若為立方體時,則需要進(jìn)行圍巖飽和抗壓強度修正。依據(jù)《公路工程巖石試驗規(guī)程JTG E41—2018》中公式(1)進(jìn)行換算[11]。

Re=8R/(7+2D/H)

(1)

式中:Re為抗壓強度換算值;R為立方體單軸飽和抗壓強度值;D、H均為立方體試件邊長。

基于取樣得到的圍巖單軸飽和抗壓強度數(shù)據(jù),計算出該試樣組數(shù)據(jù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)差,采用試樣組數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差除以平均值得到試樣組數(shù)據(jù)變異系數(shù)δ。之后采用統(tǒng)計學(xué)公式,即式(2)計算出試樣組數(shù)據(jù)圍巖飽和抗壓強度修正標(biāo)準(zhǔn)值。

(2)

式中:γs為圍巖飽和抗壓強度修正標(biāo)準(zhǔn)值;n為試樣組單軸飽和抗壓強度值個數(shù);δ為試樣組數(shù)據(jù)變異系數(shù)。

2.2 巖質(zhì)圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正

基于前文分析,得到試樣組數(shù)據(jù)圍巖飽和抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值后,進(jìn)行圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值的計算及其修正。

依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范 JTG 3370.1—2018》中針對圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ的計算規(guī)定,采用圍巖飽和抗壓強度修正標(biāo)準(zhǔn)值代入式(3)進(jìn)行BQ計算[12-15]。

BQ=100+3γs+250Kv

(3)

式中:BQ為圍巖基本質(zhì)量指標(biāo);γs為圍巖飽和抗壓強度修正標(biāo)準(zhǔn)值;Kv為巖體完整性系數(shù)。

在進(jìn)行了初步的巖體分級基礎(chǔ)上,還需要進(jìn)一步認(rèn)真考慮地下水、主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及初始應(yīng)力狀態(tài)等修正因素對圍巖最終分級的影響,綜合考慮完上述因素影響后針對巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值進(jìn)行修正,得出巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ],[BQ]值依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范 JTG 3370.1—2018》中公式(4)進(jìn)行修正。

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(4)

式中:[BQ]為圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值;BQ為圍巖基本質(zhì)量指標(biāo);K1為地下水影響修正系數(shù);K2為主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù);K3為初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。

2.3 隧道圍巖動態(tài)設(shè)計

結(jié)合前文修正后得到的[BQ],同時綜合考察巖體的定性、定量特征,最后進(jìn)行最終綜合評判,確定圍巖詳細(xì)分級,從而建立起隧道圍巖動態(tài)設(shè)計體系。

以依托工程道吾山特長隧道圍巖分級為例,進(jìn)一步驗證前文建立的隧道圍巖動態(tài)設(shè)計體系。

道吾山特長隧道左洞起訖里程樁號為ZK1+390～ZK6+052,長4 662 m,隧道右洞起訖里程樁號為YK1+390～YK6+056,長4 666 m。左右雙洞相加9 328 m。該隧道在設(shè)計階段中隧道圍巖分級狀況見表1。

結(jié)合現(xiàn)場情況,由于現(xiàn)場開挖過程中圍巖完整性較好,掌子面干燥,圍巖強度較高,超前地質(zhì)報告前方地質(zhì)情況也較好。隨著現(xiàn)場掌子面開挖,現(xiàn)場取樣進(jìn)行室內(nèi)飽和抗壓試驗。進(jìn)口段ZK1+527～ ZK1+877取樣6個,經(jīng)飽和抗壓試驗得圍巖飽和抗壓強度試樣組數(shù)據(jù)分別為45、37、67、35、66、79 MPa。出口段ZK5+507～ZK5+677取樣8個,經(jīng)飽和抗壓試驗得圍巖飽和抗壓強度試樣組數(shù)據(jù)分別為93、28、98、85、47、32、100、82 MPa。采用公式(2)分別計算得到進(jìn)口段與出口段圍巖抗壓強度修正標(biāo)準(zhǔn)值為39 MPa、 51 MPa。之后依次采用式(3)、式(4),綜合考慮地下水、主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及初始應(yīng)力狀態(tài)等修正因素的影響,得到[BQ]值之后,基于計算結(jié)果針對施工圖圍巖設(shè)計情況進(jìn)行動態(tài)設(shè)計優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

由表2可知,經(jīng)過前文建立的隧道圍巖動態(tài)設(shè)計體系優(yōu)化圍巖設(shè)計后,Ⅴ級圍巖減少1 400 m,Ⅳ級、Ⅲ級圍巖分別增加280 m、1 120 m,可節(jié)約造價約7 000萬元,經(jīng)濟效益明顯。

3 結(jié)論

圍巖動態(tài)設(shè)計體系影響參數(shù)包括圍巖飽和抗壓強度、完整性、地下水、軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及初始應(yīng)力。

表1 隧道圍巖級別長度表

表2 隧道圍巖動態(tài)設(shè)計體系優(yōu)化成果

通過現(xiàn)場取樣得到的試樣組圍巖單軸飽和抗壓強度數(shù)據(jù),進(jìn)一步計算出該試樣組數(shù)據(jù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)差,采用試樣組數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差除以平均值得到試樣組數(shù)據(jù)變異系數(shù)。之后采用統(tǒng)計學(xué)公式,計算出試樣組數(shù)據(jù)圍巖飽和抗壓強度修正標(biāo)準(zhǔn)值。

基于圍巖飽和抗壓強度修正標(biāo)準(zhǔn)值,綜合分析前文圍巖分級影響因素的影響,修正BQ值,同時綜合考察巖體的定性、定量特征,最后進(jìn)行最終綜合評判,確定圍巖詳細(xì)分級,從而建立起隧道圍巖動態(tài)設(shè)計體系。

基于本文建立的隧道圍巖動態(tài)設(shè)計體系,類似隧道工程可結(jié)合實際勘察成果,隧道建設(shè)過程中進(jìn)一步優(yōu)化圍巖等級及支護措施,進(jìn)而達(dá)到設(shè)計合理、經(jīng)濟效益明顯的目的。