凝灰巖軟化對隧道開挖與支護影響研究*

楊善成 白永厚 謝全敏

(1.中交二公局第四工程有限公司 洛陽 471013; 2.武漢理工大學土木工程與建筑學院 武漢 430070)

隨著我國公路交通的迅猛發展，在中西部多山地區隧道建設過程中常需穿越地質條件差的地層，凝灰巖地層就是其中一種[1-2]。由于凝灰巖具有遇水軟化等特性，使得隧道在施工過程中經常發生大變形、塌方等事故，嚴重威脅著施工人員及設備安全，帶來經濟損失[3-4]。因此，有必要結合工程實際，對凝灰巖隧道開挖與支護過程中圍巖遇水軟化情況進行研究。本文依托在建的西藏林拉高速公路米拉山隧道，研究圍巖遇水軟化對隧道圍巖和支護結構的影響程度，及隧道圍巖和支護結構在隧道開挖不同階段圍巖遇水軟化所引起的力學響應，評價隧道后期的安全性，指導施工。

1 凝灰巖軟化影響實測結果分析

圖1為米拉山隧道YK4480+495斷面拱頂沉降及周邊收斂實測曲線，圖2為米拉山隧道YK4480+495斷面拱頂沉降速率及周邊收斂速率曲線。由圖1及圖2可見，隧道上臺階開挖后前10 d，拱頂沉降及周邊收斂速率小且較穩定，但從開挖后的第11 d開始，拱頂沉降及周邊收斂速率開始快速增大，這是由于受斷層影響，加上持續的降雨，地表水沿斷層滲入隧道所在圍巖地層，圍巖開始遇水軟化，經過7 d以后，變形速率逐漸減小并趨于穩定，在下臺階準備開挖前幾天，拱頂沉降達到186.83 mm，上臺階周邊收斂達到287.60 mm，下臺階開挖后幾天，拱頂沉降速率又開始變大，下臺階周邊收斂速率較均勻，后期隨著仰拱的施作和圍巖應力釋放，變形速率開始減小，最終沉降速率為1.86 mm/d，下臺階周邊收斂速率為1.07 mm/d。最終拱頂沉降量為226.85 mm，上臺階周邊收斂達到287.60 mm，下臺階周邊收斂為18.30 mm。由此可知，凝灰巖遇水軟化對米拉山隧道圍巖變形影響十分明顯。

圖1 YK4480+495斷面拱頂沉降及周邊收斂曲線圖

圖2 YK4480+495斷面拱頂沉降及周邊收斂速率曲線圖

2 凝灰巖軟化隧道影響數值計算分析

2.1 計算模型

由于公路隧道屬于細長結構物，即隧道的橫斷面相對于縱向的長度來說很小，可以假定在圍巖荷載作用下只有橫向位移，而沒有縱向位移。建模尺寸以隧道為中心水平向取60 m，豎向取80 m；兩側邊施加X方向約束，底邊施加X和Y方向約束；隧道圍巖材料特性按均質彈塑性考慮，采用彈塑性有限元模型，屈服條件為德魯克-普拉格(Drucker-Prager)[5-6]；圍巖采用三維實體單元，錨桿采用cable桿單元，初期支護采用shell結構單元，二次支護采用三維實體單元，仰拱采用三維實體單元，仰拱和圍巖之間用接觸面處理[7-8]。在隧道結構的附近采用細密單元，模型單元總數55 142個,節點總數76 806個。有限元網格模型如圖3所示。

圖3 計算模型

2.2 計算參數

根據米拉山隧道工程地質地勘報告資料，結合工程經驗類比，確定米拉山隧道計算參數見表1。

表1 計算參數表

2.3 計算工況與測點布設

為研究凝灰巖軟化對米拉山隧道開挖與支護的影響，選擇了4種計算工況：①未遇水情況下的隧道開挖與支護(工況1)；②上臺階開挖以后，下臺階開挖以前圍巖遇水軟化后，再進行下臺階開挖(工況2)；③二次襯砌支護完成后圍巖遇水軟化(工況3)；④上臺階開挖后圍巖遇水軟化，初期支護變形未完成就進行下臺階開挖和二次襯砌的施作(工況4)。

為便于研究，布置如圖4所示監測點，監測點1，2，3，4，5，6，7和8分別代表隧道位置為左拱腳、左邊墻、左拱肩、拱頂、右拱肩、右邊墻、右拱腳和拱底。

圖4 隧道測點布置

2.4 計算結果與分析

2.4.1凝灰巖遇水軟化對隧道圍巖及初襯支護的影響分析

1) 圍巖變形位移分析。工況1與工況2圍巖各測點豎向位移見圖5所示。

圖5 工況1與工況2圍巖各測點豎向位移曲線

由圖5可見，除8號監測點外，其余監測點工況2下圍巖豎向位移均大于工況1下圍巖豎向位移，其中，監測點1和7豎向位移相差不明顯，監測點2至6豎向位移相差明顯，由此可知，凝灰巖軟化后圍巖發生的變形是未發生軟化的圍巖變形的5～6倍，最大豎向位移值約27 cm，與圖1中的實測最大拱頂豎向沉降值29 cm比較接近，這進一步說明了凝灰巖軟化后米拉山隧道圍巖變形很大，嚴重影響隧道的開挖與支護。

2) 圍巖應力分析。工況1與工況2隧道周邊圍巖各測點第一主應力見圖6。

圖6 工況1與工況2監測點圍巖第一主應力曲線

由圖6可見，2種工況下，除監測點8處圍巖第一主應力相差較大外，其余監測點處圍巖第一主應力均相差不大。監測點8處工況2下第一主應力小于工況1下第一主應力，其原因是圍巖軟化后，拱底變形增大，應力得到釋放。

3) 噴射混凝土層內力分析。工況1與工況2監測點處噴射混凝土層彎矩見圖7所示，各監測點處噴射混凝土層剪力見圖8所示，各監測點處噴射混凝土層軸力見圖9所示。

圖7 工況1與工況2各監測點處噴射混凝土彎矩曲線

由圖7可見，除兩側拱腳處外，其余各處監測點噴射混凝土層彎矩相差明顯，各監測點處彎矩值越小，2種工況下彎矩值相差也就越小，反之越大。最大彎矩值均出現在兩側拱肩處，拱頂處彎矩相對較小。由此可見，圍巖在上臺階開挖后遇水軟化再進行隧道的開挖與支護最終噴射混凝土層的彎矩變化非常明顯。

圖8 工況1與工況2各監測點處噴射混凝土剪力曲線

由圖8可見，2種工況下兩側拱腳、拱頂監測點處剪力相差相對較小，剪力相對差值最大的位置出現在兩側邊墻處，工況2條件下邊墻處的剪力明顯增大，其原因是上臺階開挖后圍巖遇水軟化，噴射混凝土層在水平方向受到向隧道方向的壓力增大，并且隧道內部下臺階圍巖也軟化，使得抵抗變形的作用力減小。

圖9 工況1與工況2各監測點處噴射混凝土軸力曲線

由圖9可見，在2種工況下各監測點處噴射混凝土層的軸力相差均不大，除左拱肩、拱頂處噴射混凝土層軸力在工況2條件下略大于工況1外，其余監測點處噴射混凝土層軸力都是工況1條件下大于工況2條件下。由此可知，上臺階開挖圍巖遇水軟化后再進行隧道的開挖與支護，最終噴射混凝土層的軸力影響較小。

2.4.2凝灰巖遇水軟化對二次襯砌及仰拱的影響分析

1) 工況3、工況4二次襯砌豎向位移分析。工況3、工況4二次襯砌及仰拱豎向位移變化見圖10。

圖10 工況3、工況4各監測點二次襯砌豎向位移曲線

由圖10可見，工況3條件下各監測點處二次襯砌豎向位移均向下，仰拱處監測點位置豎向位移向上；工況4條件下監測點處二次襯砌豎向位移除兩側拱腳向上外，其余都向下，但值都很小，仰拱處監測點位置豎向位移也向上，最終豎向位移和工況3條件下相差不大。由此可知，在隧道變形未完成就施作二次襯砌的工況下，二次襯砌的最終位移小于二次襯砌施作完成后位移遇水軟化的工況，且仰拱的向上凸起工況也小于后者。

2) 4種工況二次襯砌及仰拱的受力狀態分析。4種工況二次襯砌及仰拱處各監測點處第一主應力變化見圖11所示，各監測點第三主應力變化見圖12所示。

圖11 4種工況各測點二次襯砌及仰拱第一主應力曲線

由圖11可見，工況1條件下各監測點處二次襯砌和仰拱第一主應力除左拱肩外均小于其他工況，工況3條件下各監測點第一主應力除右邊墻外均大于其他工況，其中拱頂處相差最明顯。由此可見，不同時期的圍巖遇水軟化導致最終二次襯砌的第一主應力不同，總體來看，圍巖的軟化會導致二次襯砌的第一主應力增大。

圖12 不同工況測點二次襯砌及仰拱第三主應力曲線

由圖12可見，工況1和工況2條件下各監測點處二次襯砌及仰拱的第三主應力基本相同，而工況3、工況4條件下各監測點二次襯砌及仰拱的第三主應力依次增大，其原因是前2種工況圍巖變形基本完成后再施作二次襯砌，最終穩定后二次襯砌最終受到圍巖的作用力較小，而后2種工況下圍巖變形未完成或后期軟化后圍巖抵抗變形能力變差，導致二次襯砌及仰拱受到圍巖的作用力增大，故各監測點處二次襯砌及仰拱的第三主應力增大。由此可見，圍巖遇水軟化對二次襯砌及仰拱的最終第三主應力影響明顯。

3 結論

1) 從變形方面來看，無論是在開挖階段還是后期運營階段，隧道圍巖遇水軟化后對隧道的影響均非常明顯。在開挖階段隧道圍巖遇水軟化后，隧道變形加劇，最終變形量遠大于軟化前的變形量。從計算結果來看，隧道的變形量大部分發生在隧道的下臺階開挖以前，下臺階開挖以后隧道變形量相對較小。因此在圍巖遇水軟化的條件下進行隧道的開挖時，下臺階須緊跟上臺階開挖，快速將隧道封閉成環，這樣可減小隧道變形量。工況1、工況2、工況3開挖時下臺階分左、右部分開挖，仰拱也分左、右部分施作，但工況4是下臺階一步開挖完成，仰拱一次施作，從隧道變形方面來看，后種開挖方案使得隧道最終變形更能呈現對稱分布。前2種工況下二次襯砌及仰拱的變形量很小，而后2種工況下二次襯砌及仰拱的變形相應增大。

2) 從初期支護受力來看，隧道圍巖遇水軟化后，噴射混凝土層、錨桿的受力均明顯增大。初期支護的受力在下臺階開挖以前增大明顯，下臺階開挖以后受力增大相對較小。錨桿最大受力部位出現在橫向變形最大的部位，圍巖遇水軟化后，錨桿在達到屈服強度前就已經和圍巖產生滑移。因此，在這種條件下進行隧道設計時，須折減錨桿的作用效果。隧道下臺階處的錨桿，在圍巖沒有遇水軟化時，錨桿的受力相對很小，尤其是最后施作的右側下臺階處的錨桿，且在圍巖遇水軟化后其受力也是如此，因此，在設計時可考慮減弱該部位錨桿的力學效應。

3) 從二次襯砌及仰拱受力方面來看，工況3和工況4下二次襯砌及仰拱的受力均明顯大于工況1和工況2下。工況2下圍巖也遇水軟化，但在施作二次襯砌前其變形基本完成，二次襯砌后期受到圍巖的作用力減小，因此這種工況下二次襯砌及仰拱的最終受力均小于工況3和工況4。在工況4時，下臺階一次開挖，仰拱一次施作，從最終仰拱的受力工況來看，這種工況下仰拱的受力成對稱分布，其他3種工況仰拱均為左、右分步開挖，仰拱的最終受力不成對稱分布。因此，從隧道的變形、初期支護的受力、二次襯砌及仰拱的受力工況來看，在圍巖軟化的工況下進行隧道的開挖時，下臺階一次性開挖、仰拱一次性施作對隧道的安全性和穩定性方面均有提高。

由上可知，米拉山隧道凝灰巖遇水軟化后對隧道圍巖和支護的變形影響非常明顯。因此，必須采取以防水為重點的工程措施，防止凝灰巖軟化，增加圍巖強度、減小圍巖塑性變形區范圍和控制隧道位移，具體措施有：防止圍巖與地下水接觸，減小米拉山隧道圍巖軟化程度；開挖后及時進行圍巖注漿與噴漿加固，形成封閉帶，減少圍巖遇潮濕的空氣和水后吸水機會；適當增設和加強米拉山隧道排水系統功能；通過施加圍巖錨桿提高凝灰巖抗剪和抗拉強度，利用掛網改善圍巖應力分布，減小局部應力集中造成的圍巖破壞；加強隧道圍巖變形監控量測與管理，充分發揮監測數據信息功能，以便在圍巖開挖后最佳支護時間內完成隧道合理支護。

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