软岩隧道稳定性的影响因素及判别方法

何晓东 张广军

1 影响软岩隧道稳定性的因素

1.1 隧道工程地质条件

影响软岩隧道稳定性的工程地质条件主要有初始地应力、岩石的破碎程度和结构特征以及地下水等参数[1]。

1)初始地应力。初始地应力对软岩隧道稳定性的影响主要表现为:软岩隧道的失稳是由于隧道开挖引起的应力重分布超过围岩强度而导致围岩过大变形造成的强度破坏。2)围岩破碎程度及结构特征。围岩破碎程度在一定程度上反映了岩体遭受地质构造作用的强度与方式。围岩破碎程度和结构特征对软岩隧道稳定性的影响可以概括为:围岩越破碎则隧道越不稳定,越容易塌方。3)地下水。地下水对软岩隧道稳定性的影响主要表现为:地下水的存在会使岩质软化、强度降低,稳定性降低、岩块易滑动下掉。地下水的流动也可能冲蚀构造破碎带或结构面的充填物,在这种情况下,地下水对软岩隧道稳定性的影响往往是极其显著的。

1.2 隧道工程结构条件

影响软岩隧道的工程结构条件主要有隧道的方位、隧道的形状、隧道的断面大小和隧道的埋深等。

隧道方位的影响主要表现为:围岩最大主应力为自重应力时,隧道的纵轴线与最大主应力方向近于正交,拱顶受到的垂直压力较大,对围岩稳定不利;当隧道的纵轴线平行或小角度相交最大主应力方向则较为有利;而对大的断层或软弱夹层则正好相反,隧道纵轴线与之正交较为有利。

隧道形状的影响主要表现为:在隧道建设过程中为了满足自然成拱原则,经常将隧道的形状做成马蹄形。当水平应力不大时,隧道横断面两侧可简化为直边墙。当隧道底部无上鼓力时,隧道横断面底部简化为直底板。

隧道断面大小的影响主要表现为:对于不同的隧道尺寸,跨径越大,开挖空间越大,开挖时释放荷载也越大,因此开挖后的二次应力也相应增大,围岩变形也显著,开挖影响范围也增大。

隧道埋深的影响主要表现为:随着埋深的增加,隧道围岩的力学特性将发生很大变化,对隧道的设计和施工带来很大影响。在软岩隧道中,如果埋深小于500 m,且水平应力大于垂直应力,地应力的变化将对软岩隧道的变形与支护带来诸多不利因素。

1.3 隧道工程施工条件

影响软岩隧道稳定性的施工技术条件主要有施工方法、施工速度、掌子面的支撑作用及掘进方式等。

隧道施工方法对稳定性的影响表现为:隧道开挖方式的不同,应力重分布的次数就不同,应力重分布的次数越多,对围岩的稳定性就越不利。

隧道施工速度对稳定性的影响表现为:施工速度对围岩的稳定性有着明显的影响,所以,在软岩隧道的开挖过程中,应该尽量保证开挖速度与支护速度协调一致。

掌子面的支撑作用对稳定性的影响表现为:软岩隧道在开挖过程中,其掌子面的变形很大,一般情况下,对于软岩隧道在开挖完掌子面,隧道的变形已基本完成总变形量的1/3或更大。所以在变形较大的软岩中开挖隧道,应很好地控制掌子面的变形,从而对隧道的稳定性起到很大的作用(Llunardi,2000年)[2]。

隧道掘进方式对稳定性的影响表现为:开挖破岩时的冲击力和振动强度越大,对围岩的扰动程度就越大,对围岩就越不利,而且围岩越破碎,影响就越大。

2 软岩隧道稳定性的判别方法

2.1 变形速率比值判别法

李世辉(1992年)[3]将该方法用于判断隧道开挖与初期支护稳定性的判别,称之为比值判别法。该方法假定预设计的初期支护全部施加后的围岩变形速率 v1与相应断面实测围岩变形速率最大值v0的比值v1/v0不应大于典型工程监控量测统计的最大值。

2.2 极限位移判别法

用极限位移判别隧道的稳定性,就是从隧道出现的各种极限状态入手,找出在某种极限状态下各控制点的位移,即极限位移,作为稳定性判别依据。

法国M.Louls指出最大容许位移随埋深而异,他认为隧道的极限位移值约为埋深的1‰[4]。日本“新奥法设计施工技术指南草案”提出采用围岩类别的容许净空收敛值。前苏联学者通过大量观测数据的整理,得出了用于计算隧道周边容许最大变形值的计算公式[5]:

其中,f为普氏系数,其取值一般在0.5～1之间;b0为隧道跨度;H为边墙高度。

实际上,由于每个隧道所处地质条件、隧道埋深、断面形状和尺寸以及初期支护性状等各不相同,隧道极限位移量的确定并不是一件容易的事情。所以在实际工程应用中,必须从工程实际出发,结合已有的工程经验和实际工程施工进展情况确定具体的极限位移值。

2.3 经验数据法

对于经验数据法,前人的研究方法主要有经验数值法和经验公式法两种思路[6],一般规范中给出的极限位移值在思路上与此类似。

Singh(1992年)基于39个隧道实例得出了如下的结论:如果H≥350Q1/3则发生大的挤压变形,反之则不会。Goel(1995年)得出的结论:如果H≥(275N0.33)B-1(m)则发生大的挤压变形,反之不会(其中,N=(Q)SRF=1,Q为岩石质量指标;H为隧道埋深;B为隧道跨度)。Singh和Goel(1999年)提出了挤压程度的分级。具体分为以下三级:

1)轻微挤压变形,隧道变形量一般为直径的1%～3%;2)中等挤压变形,隧道变形量一般为直径的3%～5%;3)大挤压变形,隧道变形量一般为大于直径的5%。

岩体单轴抗压强度σcm与初始地应力p0的比值对隧道收敛变形的影响如图1所示。

从图1可以得出,围岩初始应力对隧道稳定性的影响显著。在图1中,随着岩体强度与围岩初始应力比值的下降,软岩隧道的变形不断增加,而且当此比值下降到0.2时,软岩隧道的变形将很快增大,隧道坍塌的可能性增大。在修建软岩隧道的过程中,可以结合监控量测,利于此比值判断围岩的稳定性。一般地,此比值大于0.4,围岩的稳定性较好,反之,应该注意采取措施。

为了分析上述三种稳定性判别方法在软岩隧道中的实用性,以新岭格隧道为例,予以对比分析。

从数据可以看出,变形速率比值判别法对于评价围岩稳定性有着很好的直观性。极限位移法对于判别隧道稳定性有着快速直观、计算简单的优势,但是由于每个隧道的极限位移的量值不同给判别带来了一定的难度。Singh和Goel法以及Hoek法对于判别隧道稳定性有着更为直观和简单的优势,但是Singh和Goel法所判定的位移相对于我国的隧道设计规范所建议的相对位移限制值相比较小,而Hoek法的结果与JTG D70-2004公路隧道设计规范的相应值接近。在判断隧道围岩稳定性时,应综合各因素,选择一个(或多个)合适的判别准则对隧道围岩稳定状态进行判定。

3 结语

1)影响隧道围岩稳定性的因素有以下三大类:隧道工程地质条件、隧道工程结构条件和隧道施工条件。其中,隧道工程地质条件表现为:初始地应力、围岩破碎程度及地下水;隧道工程结构条件表现为:隧道方位、隧道形状、断面大小及埋深;隧道施工条件表现为:施工方法、施工速度、掌子面的支撑作用及掘进方式等。同时对各影响因素进行了较为深入的论述。2)三种常用的判别隧道稳定性的方法:变形速率比值判别法、极限位移判别法及Hoek判别法。以新岭格隧道监测数据为例,分析了各判别方法的实用性,通过将所得值与规范值作对比,认为Hoek判别法较其他方法有较好的实用性。

[1] Hoek E,Brown E.T.岩石地下工程[M].连志升,田良灿,王伟德,译.北京:冶金工业出版社,1986.

[2] Llunardi P.Design&constructing tunnels-ADECO-RS approach.Tunnels and Tunnelling International[J].special supplement,2000(15):30-33.

[3] 李世辉.隧道支护设计新论[M].北京:科学出版社,1999.

[4] 景诗庭,朱永全,宋玉香.隧道结构可靠度[M].北京:中国铁道出版社,2002.

[5] Decoster A,M.Louls.Collisional ExcitationX-rayLaser Experimentsin Plasmas Produced by 0.53-pmand 0.35-pm Laser Light,1990,50(5):257-264.

[6] Giovanni Barla.Tunnelling under squeezing rock conditions[J].Department of Structural and Geotechnical Engineering,1995(30):20-22.