快速掘進條件下深埋隧道圍巖穩定性研究★

張家鳴 陳 龍 信長昊

(遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧 阜新 123000)

我國公路隧道及城市軌道交通工程發展迅速，隧道工程的施工進度要求越來越高，而深埋隧道的快速施工安全性及圍巖穩定所蘊含的科學問題將更加突出[1，2]。在分析隧道穩定性和施工技術方面，姜波等[3]為確定合理的隧道圍巖應力場和參數，采用位移反分析法進行研究。Carranza等[4]建立巖石峰后本構模型，基于收斂—約束法分析隧道縱剖面變形曲線及圍巖特征曲線的相互關系；李樹忱等[5]根據彈性理論，基于摩爾—庫侖和德魯克—普拉格強度準則的單元安全系數法分析隧道圍巖穩定性；易富等[6]研究了隧道不同埋深、不同開挖半徑下施工對公路路面的沉降影響；馬亢等[7]采用關鍵塊體理論確定圍巖主要的失穩破壞模式；劉建友等[8]通過分析不同結構圍巖的變形機制提出隧道變形的尺寸效應。孫闖等[9]通過分析圍巖的峰后強度特性，構建隧道軟弱圍巖力學模型，并分析了圍巖與支護結構的相互作用關系。

本文通過對巖石試樣進行三軸壓縮試驗，獲得更加符合工程實際的隧道圍巖峰后本構模型，采用FLAC3D建立隧道三維數值模型，計算三種開挖進尺條件下的圍巖變形特征，并優化隧道圍巖的支護設計，通過現場監測分析支護系統的穩定性，并驗證本文提出的隧道圍巖力學模型及快速掘進施工支護設計方法的合理性。

1 隧道圍巖力學特性

1.1 巖石三軸壓縮試驗

巖石試樣選取自崔家隧道開挖工作面，并將巖塊加工成直徑為50 mm，高度為100 mm的圓柱型試樣，利用電液伺服剛性三軸試驗機獲得巖石的全應力—應變曲線。隧道圍巖巖樣的單軸抗壓強度σc，以及峰值抗剪強度指標和峰后殘余抗剪強度指標如表1所示，其中巖石的彈性模量E=3.3 GPa，泊松比v=0.25,是通過室內試驗獲得巖石峰值強度參數及殘余強度參數。

表1 隧道圍巖強度參數

1.2 隧道圍巖應變軟化力學模型

Mohr-Coulomb屈服準則可表示為:

f(σθ,σr,η)=σθ-Kφ(η)σr-σc

(1)

其中，σθ為最大主應力；σr為最小主應力；η為巖石由峰值到殘余強度的軟化參數；其中：

(2)

(3)

在Mohr-Coulomb應變軟化模型中，粘聚力c和內摩擦角φ隨η值呈線性衰減趨勢，關系式為：

(4)

其中，ωp為巖石峰值強度參數；ωr為巖石殘余強度參數；ω可以代替Mohr-Coulomb模型中的粘聚力c及摩擦角φ。

在有限差分方法計算中，塑性力學參數η*可通過最大主塑性應變與最小主塑性應變的差值計算得到[11]，即:

(5)

(6)

(7)

2 隧道快速掘進圍巖穩定性分析

2.1 數值模型及支護參數

崔家隧道位于山東省，隧道全長為2 653 m，隧道的最大埋深為440 m，隧道的斷面半徑為6.9 m，隧道深埋段地層為三級～四級圍巖，圍巖主要為砂巖，隧道斷面開挖形式采用全斷面方法，由于施工工期緊張，現場擬將原循環開挖進尺2 m逐漸提高至2.5 m和3.2 m大進尺快速掘進。本文采用 Mohr-Coulomb應變軟化模型，基于FLAC3D有限差分軟件建立隧道三維模型，采用三種不同循環進尺方案分別進行計算：方案一為每循環開挖進尺2.0 m；方案二為每循環開挖進尺2.5 m；方案三為每循環開挖進尺3.2 m，數值模型及斷面尺寸如圖1所示。隧道圍巖物理力學參數如表1所示。隧道圍巖開挖進尺2 m的支護設計采用長度2.5 m、間排距1.1 m×1.1 m的系統錨桿，棚距1.5 m的金屬格柵支架，并噴射厚度為0.10 m的混凝土，根據Oreste P.P等[10]提出的計算方法可計算得到支護特征參數，如表2所示，其中Ps為支護結構的極限承載值。

2.2 隧道快速掘進施工支護結構優化設計

如圖2所示為在不同開挖進尺條件下隧道圍巖變形特征，當掘進尺寸為2.0 m時，計算獲得的隧道拱頂下沉量較小，變形最大值為1.02 cm；當掘進尺寸為2.5 m時，隧道拱頂下沉量最大值為1.82 cm時趨于穩定；當掘進尺寸為3.2 m時，隧道拱頂下沉量最大值為2.45 cm時趨于穩定。

表2 支護結構特征曲線參數

通過對計算結果的分析可知，當采用大掘進尺寸進行施工時，會導致隧道圍巖的變形量增大，同時也增加了圍巖與支護結構的破壞失穩概率。所以，當提高循環掘進尺寸時，應對隧道初期支護結構進行優化，保證隧道圍巖在快速掘進過程中的安全穩定性。根據計算結果，將初始支護結構設計參數進行優化，其中系統錨桿改為間排距1.0 m×1.0 m，鋼格柵的棚距改為1.0 m，噴射混凝土的厚度增加至12 cm。

為了優化隧道設計方案的安全性問題，隧道采用的支護形式為聯合支護方案：錨桿設置在距離工作面2 m處，然后在后方架設金屬格柵并噴射混凝土。通過分析圖3中圍巖與支護結構相互作用曲線可知，從支護結構開始施作到圍巖與支護結構達到平衡狀態，優化設計后的支護結構特征曲線與圍巖特征曲線在彈性位置交匯，說明支護結構能夠滿足快速施工圍巖穩定性要求。

3 結語

1)本文采用應變軟化模型計算隧道圍巖變形特征，通過計算可知，提高隧道掘進循環進尺來加快隧道的掘進速度，會造成隧道圍巖變形量增大，所以需要提高支護結構的強度才能保證圍巖的安全穩定性。

2)采用數值計算方法對支護結構進行優化設計，通過現場監測隧道拱頂下沉和支護結構承受的圍巖壓力可知，采用優化支護方案能夠保證隧道快速施工的安全穩定性，隧道拱頂的變形與支護結構受力的監測結果與數值計算結果基本一致。

參考文獻：

[1] L.R.ALEJANO,E.ALONSO. Application of the convergence confinement method to tunnels in rock masses exhibiting Hoek-Brown strain-softening behaviour[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2010, 47(6):150-160.

[2] Qing Lu,Hong-Yue Sun.Reliability analysis of ground-support interaction in circular tunnels using the response surface method[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2011,18(4):1329-1343.

[3] 姜 波.隧道圍巖特性參數反分析與數值模擬[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2016,35(6):603-606.

[4] Carranza-Torres,C.Fairhurst.Application of convergence-confinement method of tunnel design to rock masses that satisfy the Hoek-Brown failure criterion[J]. Tunnel ling and Underground Space Technology,2009(1):689-705.

[5] 李樹忱,李術才,徐幫樹.隧道圍巖穩定分析的最小安全系數法[J].巖土力學,2007,28(3):549-556.

[6] 易 富,孫 迪,趙琪琪,等.隧道下穿施工引起公路路面沉降分析[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2016,35(7):722-726.

[7] 馬 亢,徐 進,吳賽鋼.公路隧道局部塌方洞段的圍巖穩定性評價[J].巖土力學,2009,30(10):2955-2961.

[8] 劉建友,趙 勇,李鵬飛.隧道圍巖變形的尺寸效應研究[J].巖土力學,2013,34(8):2165-2174.

[9] 孫 闖，張向東，劉家順.基于收斂—約束法的隧道圍巖安全性評價[J].公路交通科技,2014,31(3):96-101.

[10] Oreste P.P. Analysis of structural interaction in tunnels using the convergence-confinement approach[J].Tu-nnelling and Underground Space Technology,2003(2):347-363.