高地應(yīng)力軟巖隧道變形特征分析

劉曉飛 耿 楠 秦政

（1.山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程系，山西 太原 030013；2.山西金信清潔引導(dǎo)投資有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

我國西北地區(qū)山脈眾多，地形起伏錯綜復(fù)雜，且地質(zhì)條件較差。在穿山越嶺的隧道施工過程中，面臨著裂隙水難阻斷、地下水突涌、巖體變形、襯砌結(jié)構(gòu)破壞變形等問題，給現(xiàn)場施工人員、項(xiàng)目機(jī)械設(shè)備和經(jīng)濟(jì)投資帶來了重重挑戰(zhàn)[1-2]。針對這些問題，學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。

郭小龍等[3]基于成蘭鐵路楊家坪隧道開挖后的變形與應(yīng)力重分布特征，并結(jié)合數(shù)值模擬過程，揭示該隧道兼具高地應(yīng)力、陡傾層狀以及軟弱圍巖等特點(diǎn)下的圍巖變形破壞規(guī)律與機(jī)理。丁遠(yuǎn)振等[4]根據(jù)柿子園隧道在穿越斷層帶時，支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生的破壞現(xiàn)象，實(shí)地監(jiān)測鋼架應(yīng)力、圍巖壓力以及變形量等，發(fā)現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力的復(fù)雜性導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)與支護(hù)結(jié)構(gòu)與隧道中軸線存在較大的差異性。李磊等[5]以成蘭鐵路茂縣隧道現(xiàn)場取樣，并以現(xiàn)場測試巖石試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，分析茂縣隧道擠壓性軟弱圍巖的變形特征。其中，拱頂錨桿與圍巖形成壓縮體，共同承擔(dān)受壓作用。圍巖釋壓過程中產(chǎn)生顯著的裂隙擴(kuò)容現(xiàn)象，導(dǎo)致自身與支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中以及后續(xù)的破壞現(xiàn)象。

本文針對西部某高地應(yīng)力作用下的軟巖隧道在現(xiàn)場施工中出現(xiàn)的圍巖大變形、變形侵限以及支護(hù)結(jié)構(gòu)扭曲破壞等嚴(yán)重工程問題，通過數(shù)值模擬方法，對隧道不同監(jiān)測位置處的圍巖變形特征進(jìn)行分析。為后續(xù)確定有利于現(xiàn)場控制圍巖變形、安全施工的改進(jìn)開挖工法提供一定的理論技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程背景

該隧道為銀蘭高速全線工程的控制性節(jié)點(diǎn)，隧道的設(shè)計車速v=80km/h，內(nèi)斷面凈寬10.05m，凈高為4.8m；隧道左、右線長度分別為5018m、4927m，隧道部分區(qū)段最大埋深達(dá)到537m。根據(jù)工程巖體相關(guān)規(guī)范，可判斷隧址區(qū)存在高地應(yīng)力作用。

由于圍巖易破碎分散，隧道開挖擾動使得其易形成拱頂空腔的不穩(wěn)定部位；同時，部分導(dǎo)管受到圍巖累計變形的加壓作用，變形呈彎曲狀，不能有效發(fā)揮對圍巖的預(yù)支護(hù)作用?，F(xiàn)場的預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、塌落成空腔。

2 數(shù)值模型建立與分析

以隧道洞室為中心，確定模型尺寸：橫向?yàn)?0m，豎向?yàn)?0m，縱向?yàn)?0m。隧道整體計算模型如圖1所示。同時對模型左右邊界、前后邊界施加約束，分別限制邊界面的水平位移、縱向位移；底部邊界限制X、Y、Z方向的自由度。

圖1 隧道整體計算模型

隧道開挖采用三臺階開挖工法，設(shè)置高地應(yīng)力軟巖為彈塑性模型，采用莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，錨桿、初支、二襯等支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為彈性特性，開挖工法如圖2所示。

圖2 隧道三臺階開挖

隧道主要由強(qiáng)風(fēng)化砂巖與炭質(zhì)板巖構(gòu)成，砂巖厚度為10～20m，板巖厚度為28～40m，圍巖級別為V級，圍巖參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖參數(shù)

初期支護(hù)與二次襯砌均由C30噴射混凝土組成，厚度分別為45cm、65cm。各支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圍巖地層在自然狀態(tài)下可視為均勻彈塑體，將摩爾庫倫準(zhǔn)則作為其屈服條件。開挖貫通后穩(wěn)定狀態(tài)下的圍巖主應(yīng)力如圖3所示。

圖3 穩(wěn)定狀態(tài)下的圍巖主應(yīng)力

由圖3可知，通過隧道開挖過程分析圍巖變形情況，將添加地應(yīng)力后的圍巖位移與變形速率設(shè)置為0；并在各開挖步的計算過程中，設(shè)置15000步的應(yīng)力釋放時間，以達(dá)到工程實(shí)際的開挖效應(yīng)。隧道開挖完成后，初始圍巖最大主應(yīng)力由最初的0.89MPa升至1.46MPa，拱頂與仰拱部位應(yīng)力狀態(tài)從最初的受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾?，最大拉?yīng)力出現(xiàn)在仰拱部位，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在兩側(cè)拱腰位置，存在一定的應(yīng)力集中。

3 高地應(yīng)力隧道變形特征數(shù)值分析

高地應(yīng)力軟巖隧道由于受應(yīng)力作用以及巖體自身嚴(yán)重的流塑性特征，使隧道現(xiàn)場施工過程中圍巖產(chǎn)生不穩(wěn)定大變形，對施工造成嚴(yán)重破壞與干擾。故在數(shù)值模擬計算分析時，重點(diǎn)研究隧道拱頂、拱肩、拱腰等部位處不同距離范圍內(nèi)圍巖的變形情況。

考慮到模型開挖步距與劃分網(wǎng)格的適應(yīng)性，設(shè)置開挖步距為5m。以10m以及40m處圍巖為監(jiān)測斷面進(jìn)行變形監(jiān)測，不同斷面的變形云圖如圖4所示。

圖4 不同斷面隧道拱頂沉降與水平收斂（單位：m）

由圖 4可知，隧道開挖后不可避免地會對周圍巖體造成擾動，拱頂沉降相對于拱底隆起而言，要更加迅速，且影響范圍更大。在水平方向的收斂變形方面，隧道圍巖變形呈“蝴蝶型”分布；拱肩與拱腳部位的變形相對拱腰更加突出。變形趨勢關(guān)于豎向隧道軸線呈對稱分布，但隧道左側(cè)整體向隧道凈空方向發(fā)生收斂變形。隧道洞室的開挖使圍巖產(chǎn)生較大的臨空面，軟巖向著臨空面產(chǎn)生擠壓變形，進(jìn)而使隧道拱頂和仰拱處受到拉應(yīng)力最大，拱腰處次之，從而造成隧洞周邊圍巖向洞內(nèi)方向收斂變形。

隨著施工階段的進(jìn)行，巖體各不同位置處的變形值也發(fā)生不同的變化，最大沉降與水平收斂分別為30.73cm與14.71cm。隧洞在開挖過程中，隧洞拱腰、拱頂、仰拱及掌子面處的位移變形最為劇烈，尤其是拱腰處的巖體變形值大且圍巖松動范圍廣，說明高地應(yīng)力軟巖隧道拱腰處為危險位置。在施工過程應(yīng)對隧洞拱腰處作超前預(yù)支護(hù)與加強(qiáng)支護(hù)，拱腰處的最大變形值發(fā)生在隧洞輪廓處，隧洞隨著第一階段上臺階的開挖，圍巖不同位置的水平向與豎直向都發(fā)生了不同程度的變形?？梢钥闯鰢鷰r的水平變形范圍更大，并且變形值也比豎直向大。從圍巖變形豎向云圖中可以看出豎直變形主要集中在隧道輪廓附近，變化值比水平變形要小，隨著后面施工階段的完成，隧洞拱腰處圍巖的變形逐漸減小，在隧洞內(nèi)部圍巖輪廓處的變形比進(jìn)洞時要小，圍巖松動范圍的擴(kuò)展速率也在減慢，隧洞周圍的圍巖在支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用下慢慢地形成了固結(jié)圈，這對圍巖的變形有一定的抑制作用。其次在隧洞開挖過程中掌子面處的變形較大，對隧洞掌子面也應(yīng)作超前加固，以防止隧洞在開挖過程中掌子面由于巖體壓力過大，發(fā)生巖爆或崩坍等隧道施工性的病害，對施工機(jī)械和技術(shù)人員造成經(jīng)濟(jì)損失。隧洞在下階段上臺階開挖中，巖體掌子面的變形最大，最大值為20.4cm，從隧洞開挖過程中可以看到拱頂?shù)奈灰谱兓草^大，因此在實(shí)際施工過程中對隧洞拱頂處也要作超前加固和加強(qiáng)支護(hù)。通過圍巖變形云圖可以看出隧洞仰拱處的豎向變形位移也較大，在實(shí)際工程中也不得不重視。仰拱處的水平向圍巖變形值較小，豎直向圍巖變形隨著開挖階段的進(jìn)行呈增大趨勢，直到隧洞進(jìn)洞后第五施工階段完成后，仰拱變形保持穩(wěn)定，變形減小，其最大變形值為28cm。

4 結(jié)束語

（1）隧道開挖后圍巖的主應(yīng)力狀態(tài)相比于初始狀態(tài)下的主應(yīng)力，存在一定提升；拱頂和仰拱處圍巖由原來的受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，仰拱部位拉應(yīng)力相對更大；在拱腰與拱腳中間部位圍巖存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，施工中要特別注意這些位置的應(yīng)力突變。

（2）高地應(yīng)力軟巖隧道的水平收斂變形關(guān)于隧道豎向軸軸線對稱，最大值為14.71cm，發(fā)生在左拱肩部位；沉降最大值為30.73cm，發(fā)生在拱頂部位；最大隆起變形為25.82cm，發(fā)生在拱底部位。且不同監(jiān)測斷面變形與掌子面距離的大小緊密相關(guān)。