高地應(yīng)力隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性分析

屈子財

摘要：高地應(yīng)力下，隧道的開挖過程中，其周邊的圍巖易發(fā)生整體、局部失穩(wěn)的現(xiàn)象，這是由于各個方向的主應(yīng)力和剪應(yīng)力對巖體發(fā)生作用，產(chǎn)生裂縫而引發(fā)的。由于可以看出，高地應(yīng)力下，圍巖穩(wěn)定性有待保證。因此本文就以此為背景來對高地應(yīng)力隧道開挖過程中，圍巖穩(wěn)定性進行分析，以此來找到隧道開挖過程中的一些影響因素，如圍巖強度、埋深、跨度等，為保證施工進度，保證施工人員的安全提供參考。

關(guān)鍵詞：高地應(yīng)力；隧道開挖；圍巖穩(wěn)定性

高地應(yīng)力下，隧道開挖過程中，圍巖會發(fā)生變化，具有流變的特點，隨著隧道開挖的越來越長，會讓荷載向圍巖方向轉(zhuǎn)移，從而發(fā)生圍巖大面積損傷現(xiàn)象。并且高地應(yīng)力下，開挖過程中，會發(fā)生一些自然災(zāi)害，影響著施工進度，也影響著圍巖整體的穩(wěn)定性。本文利用數(shù)值分析法，對某工程下的高地應(yīng)力圍巖位移進行了模擬分析，分析了其位移的變化規(guī)律，為高地應(yīng)力下隧道開挖提供參考。

一、高地應(yīng)力的定義

目前關(guān)于高地應(yīng)力還沒有一個準(zhǔn)確的定義，主要是指巖體由于地殼構(gòu)造運動而發(fā)生的水平應(yīng)力、內(nèi)應(yīng)力、以及其它應(yīng)力，是一種區(qū)別于土體的一種特征。

當(dāng)三個方向的主應(yīng)力的最大值達到20～30MPa時，就可以說隧道處于高地應(yīng)力環(huán)境中。當(dāng)通過自重應(yīng)力與地應(yīng)力量級的對比，初始應(yīng)力狀態(tài)下，特別是水平應(yīng)力分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上覆巖體的重量時，可以認(rèn)為處于高地應(yīng)力環(huán)境中。我國也給出了高地應(yīng)力的判定標(biāo)準(zhǔn)，詳見表1-1。

表1-1 我國高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則

主要現(xiàn)象

極高應(yīng)力 （1）硬質(zhì)巖：施工過程中會有巖爆發(fā)生以及塊體彈出，內(nèi)壁巖體會發(fā)生剝離，新產(chǎn)生裂隙較多，洞成型差；基坑有剝離現(xiàn)象，成型性也差（2）軟質(zhì)巖：開挖過程中洞壁巖體有剝離，巖芯有餅化現(xiàn)象，位移相當(dāng)顯著甚至發(fā)生大位移，持續(xù)時間長，不容易成洞；基坑發(fā)生顯著隆起或剝離，不易成形 <4

高應(yīng)力 （1）硬質(zhì)巖：施工過程中可能發(fā)生巖爆現(xiàn)象，內(nèi)壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象，新產(chǎn)生裂縫較多，洞成型差；基坑有剝離現(xiàn)象，成形性通常比較好（2）軟質(zhì)巖：施工過程中洞壁巖體位移相當(dāng)顯著，持續(xù)時間也較長，不容易成洞，巖芯時有餅化現(xiàn)象；基坑有隆起現(xiàn)象，成形性不好 4-7

二、某工程概況

某隧道工廠位于高地應(yīng)力環(huán)境下，其隧道深度為836m，隧道構(gòu)造呈NE方向，最大水平主應(yīng)力呈NW方向，有利于隧道的開挖。周圍巖石多為灰?guī)r，本文采用了FLAC的方式來計算差分?jǐn)?shù)值。眾所周知，F(xiàn)LAC計算方法是美國LSCA公司跟Cundall共同開發(fā)出來的一種計算程序，特別適用于隧道工程分析力學(xué)。

三、建立數(shù)值模型

（一）計算范圍與數(shù)值模型

本文以DK160+800-DKl61+000間隧道為了，分析其開挖中的圍巖穩(wěn)定性，此段為高地應(yīng)力隧道，圍巖的級別為III級，采用了上下臺階法來進行隧道的開挖。并設(shè)置支護，將支護的結(jié)構(gòu)設(shè)置為混凝土的厚度為C25，初襯為23cm，錨桿的長度為3.5m。并將二襯設(shè)置為55cm的C35厚的混凝土，以此來計算坐標(biāo)。其中隧道的水平軸設(shè)置為X軸，大地坐標(biāo)為Y軸，隧道的縱軸為Z軸，將洞室的縱軸跟隧道底板的交點設(shè)置成坐標(biāo)的原點。計算的范圍，隧道左右邊界各50m，底部跟隧道底板之間的距離控制在30m，隧道的頂部要距離坐標(biāo)原點為60m，采用FLAC進行模擬，錨桿采用FLAC中的cable結(jié)構(gòu)單元，單元總數(shù)為48 980，節(jié)點總數(shù)為52 608?？紤]到地應(yīng)力、主應(yīng)力、跟傾角之間的關(guān)系，應(yīng)用回歸分析，來計算該區(qū)域內(nèi)的地應(yīng)力值，詳見表3-1。采用摩爾-庫存準(zhǔn)則，根據(jù)現(xiàn)場的調(diào)查，測試結(jié)果，計算得出模擬隧道的圍巖跟支護巖力學(xué)指標(biāo)，詳見表3-2。

（二）計算結(jié)果分析

隨著隧道的開挖，其周圍的圍巖開始位移，位移的趨勢為臨空面方向移動，在考慮邊界的影響，本文選擇了Z=-22.5m的中間斷面作為位移分析的主要斷面。從而得出，開挖結(jié)束候，隧道周圍巖石的位移方向都是隧道洞內(nèi)，并且受高應(yīng)力的影響，位移沒有規(guī)律，也不對稱，而是有一個夾角的方向位移。同時開挖結(jié)束候，左邊墻的位移比右邊墻位移要小，左邊位移46mm，右邊為49mm，差了3mm。此外拱頂?shù)淖畲笪灰菩∮诠暗椎淖畲笪灰疲绊斒?6mm，拱底是66.7mm，由此可以看出位移不對稱。

四、高應(yīng)力下隧道開挖的建議

通過上文分析，高應(yīng)力下，隧道開挖，圍巖會發(fā)生相應(yīng)的位移，影響著施工進度，影響著人們的生命安全，可以通過以下幾個方面來進行控制：

（1）卸壓槽法：通過卸壓槽法，泄壓之后在對隧道進行開挖。卸壓之后，圍巖差不多會被軟化，此時位移就會得到控制。

（2）增加支護襯砌厚：增加支護襯的厚度，會讓其破壞越來越小，這樣圍巖所受到的應(yīng)力就會越來越小，從而達到控制圍巖位移的目的。

（3）增加支護襯砌強度增加：支護襯的厚度增加有限，可以增加其強度，強度越大，對其破壞就越小，從而控制了底板的變型，控制圍巖的位移。

（4）增加支護錨桿長度：錨桿的長度雖然控制底板變型的效果不是很理想，但是隨著錨桿程度的增加，其依然還是會減少襯砌受力，從而減少底板的變形，控制圍巖的位移。

（5）綜上，采取增加襯砌厚度、加大支護強度、錨桿加固圍巖等，都可以控制高地應(yīng)力下隧道開挖的圍巖的位移，如果對于復(fù)雜的地形、位移比較嚴(yán)重的，可以綜合應(yīng)用這幾種方法來進行控制。

結(jié)束語

綜上通過分析，了解到，受地應(yīng)力的影響，隧道開挖后，其圍巖位移比較明顯，并且是朝著朝洞發(fā)生移動。并且位移的沒有對稱性，右邊的位移距離要比左邊的位移厲害。同時通過分析，圍巖位移的規(guī)律可以看出，高地應(yīng)力下，位移分布與地應(yīng)力方向存在密切關(guān)系。

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（作者單位：遼寧省遼陽市中鐵十九局集團第一工程有限公司）