高地應(yīng)力軟巖隧道超前導(dǎo)洞法施工圍巖變形預(yù)釋放規(guī)律分析

郭小雄，劉艷青，馬偉斌

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

在高地應(yīng)力軟巖隧道施工過(guò)程中，多發(fā)生較大程度的變形，導(dǎo)致初期支護(hù)混凝土開(kāi)裂、剝落、掉塊，支護(hù)鋼架扭曲、錯(cuò)斷，初支侵限［1-2］。已建成的烏鞘嶺隧道施工時(shí)最大變形量近1．0 m，開(kāi)挖初期平均變形量在0.4～0.6 m，致使初支大變形而遭破壞，并嚴(yán)重侵入隧道襯砌凈空，不得不將初支全部或部分拆除重做［3］。在建蘭渝鐵路亦多次因高地應(yīng)力大變形而進(jìn)行換拱［4］，因大量的初期支護(hù)拆換作業(yè)而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失、安全風(fēng)險(xiǎn)及工期延誤等給隧道正常施工造成嚴(yán)重影響。超前導(dǎo)洞法施工可通過(guò)對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖初始地應(yīng)力的預(yù)釋放，以期使隧道正洞支護(hù)變形減小至安全可控狀態(tài)。

1 理論簡(jiǎn)析

超前導(dǎo)洞釋放法為在開(kāi)挖正洞之前在正洞的合適位置先開(kāi)挖一定長(zhǎng)度的超前導(dǎo)洞，通過(guò)超前導(dǎo)洞的位移釋放一部分初始應(yīng)力，從而減少正洞擴(kuò)挖后的支護(hù)變形和降低作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。它是柔性支護(hù)設(shè)計(jì)的一種理念，即容許圍巖變形，釋放地應(yīng)力，減低支護(hù)壓力，同時(shí)又能約束圍巖松弛和控制圍巖變形，保持隧道穩(wěn)定［5-6］。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算參數(shù)

以某在建高地應(yīng)力軟巖隧道為背景，模型邊界尺寸取為100 m×100 m×1 m，隧道模型正洞尺寸為14.3 m×12.7 m，小導(dǎo)洞基本尺寸為7.6 m×4.5 m，相關(guān)支護(hù)參數(shù)、力學(xué)參數(shù)及初始地應(yīng)力參數(shù)參照現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果選取，圍巖及初始地應(yīng)力主要參數(shù)見(jiàn)表1～表2。

表1 圍巖參數(shù)

表2 初始應(yīng)力場(chǎng) MPa

2.2 不同工況條件下的計(jì)算分析

采用有限差分法軟件flac3d進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，導(dǎo)洞采用全斷面開(kāi)挖，正洞為三臺(tái)階法施工，計(jì)算過(guò)程中正洞尺寸保持不變。選擇導(dǎo)洞計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)為 a，b，b'，正洞計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)為 A，B，B'，C，C'，D，D'，計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置見(jiàn)圖1。圖中，H為導(dǎo)洞高度，L為導(dǎo)洞寬度，h為導(dǎo)洞拱頂至正洞拱頂?shù)木嚯x。

為分析超前導(dǎo)洞法相對(duì)于直接開(kāi)挖正洞法的隧道周邊圍巖變形的預(yù)釋放效果，本文以釋放率來(lái)表示導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)正洞周邊各點(diǎn)徑向位移的影響程度。

釋放率=(直接開(kāi)挖正洞隧道周邊圍巖變形量－導(dǎo)洞釋放法正洞隧道周邊圍巖變形量)/直接開(kāi)挖正洞隧道周邊圍巖變形量×100%。

2.2.1 導(dǎo)洞不同寬度模擬

取導(dǎo)洞拱頂距正洞拱頂2.5 m，高度4.5 m，且位75%，這是由于D處位移受導(dǎo)洞底鼓影響較大，加之導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)不閉合，導(dǎo)洞寬度越大，底鼓現(xiàn)象越明顯。

圖1 計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置(單位:m)

2)考慮到導(dǎo)洞全斷面開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工條件，結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)洞寬度為7.6 m左右時(shí)較為合理。

2.2.2 導(dǎo)洞不同高度模擬

在2.2.1節(jié)計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，保持導(dǎo)洞距正洞拱頂2.5 m，寬度7.6 m，且位于正洞中軸線不變。選擇導(dǎo)洞高度 H 分別為 4.5 m，5.0 m，5.5 m，6.0 m，6.5 m五種工況進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖3。于正洞中軸線不變。選擇導(dǎo)洞寬度L分別為5.6 m，7.6 m，9.6 m，11.6 m四種工況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 導(dǎo)洞不同寬度與釋放率關(guān)系曲線

圖3 導(dǎo)洞不同高度與釋放率關(guān)系曲線

由圖2可看出:

1)隨著導(dǎo)洞寬度的增加，正洞拱頂 A、上臺(tái)階 B、中臺(tái)階C、下臺(tái)階D的徑向位移釋放率均隨之增加。對(duì)拱頂A位移釋放率影響最大，由12%增加到69%，這是由于隨著導(dǎo)洞寬度的變化，導(dǎo)洞洞型改變使得A點(diǎn)位移增加較大。B處位移釋放率由31%增加到75%，影響也較大，這是由于導(dǎo)洞位置較靠近 B的緣故。C處位移釋放率由54%增加到79%，這是由于導(dǎo)洞寬度變化所致。D處位移釋放率由32%增加到

由圖3可看出:

1)當(dāng)導(dǎo)洞高度增大時(shí)，導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)正洞拱頂A、上臺(tái)階B、中臺(tái)階C、下臺(tái)階D的徑向位移釋放率均隨之增大。

2)考慮到導(dǎo)洞全斷面開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工條件，結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，選擇導(dǎo)洞尺寸為7.6 m×5.5 m時(shí)可取得較好的綜合釋放效果。

2.2.3 導(dǎo)洞不同位置模擬

保持導(dǎo)洞尺寸7.6 m×5.5 m，且位于正洞中軸線不變，選擇導(dǎo)洞拱頂距正洞拱頂距離 h分別為0 m，1 m，1.8 m，2.5 m，3.5 m，4.2 m，5.0 m 七種工況進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可看出:

1)隨著導(dǎo)洞位置的下移，正洞拱頂 A、上臺(tái)階 B、中臺(tái)階C的徑向位移釋放率均隨之小幅減小。正洞下臺(tái)階D位移釋放率略有增加。

圖4 導(dǎo)洞不同位置與釋放率關(guān)系曲線

2)綜合分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果及導(dǎo)洞和正洞開(kāi)挖的施工條件，導(dǎo)洞尺寸為7.6 m×5.5 m、導(dǎo)洞拱頂距正洞拱頂為2.5 m時(shí)，可取得較好的綜合釋放效果，即現(xiàn)場(chǎng)選擇的導(dǎo)洞位置是合理的。

3 結(jié)論及建議

1)合理的導(dǎo)洞尺寸及位置可有效地使正洞周邊在導(dǎo)洞開(kāi)挖后產(chǎn)生較大的預(yù)位移，從而較大程度地減少正洞開(kāi)挖后初期支護(hù)的變形量。

2)在導(dǎo)洞位置不變的條件下，當(dāng)高度一定時(shí)，隨著導(dǎo)洞寬度的增加，釋放率呈較大幅度的線性增長(zhǎng)。當(dāng)寬度一定時(shí)，隨著導(dǎo)洞向下高度的增加，釋放率亦呈較大幅度的線性增加。此外，導(dǎo)洞寬度和高度的變化對(duì)拱頂下沉釋放率的影響明顯小于對(duì)其余各監(jiān)測(cè)點(diǎn)釋放率的影響。

3)綜合分析各工況結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際的可行性，當(dāng)導(dǎo)洞尺寸寬×高為7.6 m×5.5 m，導(dǎo)洞拱頂距正洞拱頂距離為2.5 m時(shí)，可取得較好的綜合釋放效果，A，B，C，D 各點(diǎn)釋放率分別為37%，54%，72%和59%。

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