各向異性軟巖隧道圍巖蠕變特征及支護方案對比分析

張海洋，徐文杰，王永剛

(1.核工業北京地質研究院中核集團高放廢物地質處置技術重點實驗室，北京 100029；2.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京100084；3.甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅蘭州 730030)

中國層狀結構的沉積巖、變質巖覆蓋區域高達77.3%[1]，這類巖石通常具有各向異性特征，并且易導致隧道圍巖發生顯著的長期變形[2]。深埋隧道處于高地應力環境中，開挖和初期支護形成的低圍壓、高應力差使圍巖及支護結構穩定性極差，出現擠壓流變破壞，直接影響其長期服役性能[3]。為此，國內開展了大量現場監測[4-5]和開挖支護技術研究[6]，并借助有限元[7]、有限差分法[8]等數值方法研究圍巖與支護結構的相互作用機理，因地制宜地選擇支護形式和工程處理措施。

木寨嶺隧道在施工過程中遇到了噴射混凝土開裂、剝落，初期支護失效、局部二次襯砌開裂等典型的軟巖隧道大變形問題[9]。本文考慮圍巖各向異性及蠕變特征，采用有限元模擬分析了襯砌及錨桿對圍巖的支護作用，比選較優的施工支護方案。

1 工程概況

蘭渝鐵路木寨嶺特長隧道地質條件復雜，其中DK177+700—DK192+170段以軟質板巖為主，夾炭質板巖，約占隧道總長的46.53%。軟巖段最大埋深(600 m)處以水平構造應力為主，最大水平主應力為20～25 MPa，方向與隧道軸向(N30°～40°E)基本一致。

圖1 2種方案的施工工序

軟巖段采用復合式襯砌，設計了2種開挖支護方案，施工工序見圖1。初期支護采用噴錨支護，其中R32N自進式錨桿長4.5 m；C30噴射混凝土厚33 cm。二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，仰拱填充層為C20混凝土。在方案2中初期支護和二次襯砌之間增設輕質混凝土緩沖層。

2 數值模型

2.1 數值模型的建立

木寨嶺隧道襯砌內輪廓高達10.17 m，以隧道中心向外4倍洞徑作為計算區域，上下臺階開挖以2 m為一個進尺，沿洞軸線方向(y方向)取32 m，即16個施工循環長度，建立以隧道為中心的80.8 m(長)×32 m(寬)×80.8 m(高)的長方巖體計算模型(圖2)。錨桿采用二節點三維桁架單元(T3D2)模擬，劃分網格長度為0.5 m。

圖2 木寨嶺隧道計算模型

為模擬隧道開挖過程中的應力釋放效應[10]，利用溫度場變量控制材料參數，在隧道各段開挖前將該段開挖單元的彈性模量降低30%。隧道挖通并支護完成后進行30年的圍巖蠕變計算。

2.2 模型材料參數

圍巖的彈性部分采用Engineering Constants模型，塑性部分則以金屬塑性模型為基礎，自定義平均主應力(σ1+σ2+σ3)/3為一個場變量，并令屈服應力與平均主應力成線性關系，模擬巖石塑性特征。

建立材料局部坐標系，以反映該區域炭質板巖的橫觀各向同性。隧道圍巖塑性模型計算參數(表1)和蠕變模型計算參數(表2)根據長期蠕變監測結果反演獲得。需要開挖的內洞為彈性材料，且彈性模量與圍巖彈性模量相同。 表 1 中R11，R22，R33，R12，R13，R23均為各向異性屈服應力比。屈服應力、塑性應變與平均應力場變量呈線性相關關系。表2中Q11，Q22，Q33，Q12，Q13，Q23均為各向異性蠕變應力比，在橫觀各向同性模型中Q11＝Q22，Q13＝Q23。

支護結構包括錨桿和混凝土襯砌。錨桿彈性模量為 210 GPa，泊松比為 0.3，密度為 7.85×103kg/m3。混凝土襯砌與圍巖密度均為2.3×103kg/m3，采用D-P破壞準則。混凝土襯砌的材料參數依賴于溫度場變量。溫度場變量為0時該部分為巖體，為1時該部分采用開挖前巖體應力松弛時的彈性模量，為2時該部分為混凝土襯砌。

表1 隧道圍巖塑性模型計算參數

表2 隧道圍巖蠕變模型計算參數

3 計算結果分析

以雙層襯砌支護方案為代表分析應力和變形特征。

3.1 圍巖應力和變形特征

隧道開挖卸荷，左右兩邊墻均發生向洞內的厘米級的水平位移。洞底出現不均勻的豎直向上位移，最大值位于仰拱中心及左右邊墻底部；最大沉降位于拱頂中心兩側。隨著支護逐漸完成，兩項位移的最大值都有所減小。蠕變期間洞周圍巖持續變形，受水平向構造應力的擠壓，豎直位移以向上為主，最大值出現在拱頂，豎向位移場向巖層層理面方向偏轉。

根據不同階段隧道圍巖應力分布圖(見圖3)，隧道開挖后應力發生大范圍重分布，且受巖層產狀影響，最大值約為23.8 MPa，出現在研究區域右后下方。后續支護結構施工使洞周應力有所減小，隨后續開挖又逐漸增大。蠕變期間圍巖蠕變起到了應力松弛的效果，應力逐漸減小，隧道底部應力減小得最明顯。

圖3 不同階段隧道圍巖應力分布(單位:Pa)

3.2 支護結構應力和變形特征

不同階段二次襯砌應力分布見圖4。可見:二次襯砌支護剛結束時其大部分處于受壓狀態，最大壓應力普遍在10 MPa左右；隨著施工進行和蠕變，圍巖作用在襯砌上的力越來越大。最大值出現在二次襯砌邊墻底部與仰拱填充交界處的應力集中區，由施工結束時的84 MPa發展為蠕變30年時的192 MPa。

不同階段錨桿最大主應力分布見圖5。可見:最大主應力以拉應力為主，且遠遠高于混凝土襯砌應力。最大主應力出現在拱頂兩側角點區域，其值約2.30 GPa。支護結束時該處錨桿最大主應力達到2.55 GPa。圍巖長期蠕變使錨桿拉應力明顯增加。蠕變30年時，除最上部拱頂和最下部邊墻底部錨桿拉應力較低外，其余部位錨桿拉應力在1.14～3.55 GPa，均發揮了顯著支護作用。與混凝土襯砌類似，受圍巖各向異性影響，左側錨桿應力略高于右側。

圖4 不同階段二次襯砌應力分布(單位:Pa)

圖5 不同階段錨桿最大主應力分布(單位:Pa)

4 2種支護方案效果對比

施工階段方案2圍巖應力低于方案1。蠕變期間2種方案圍巖應力均有所降低，初期支護應力變化不大，二次襯砌應力均有不同程度提高。但方案2中二次襯砌應力始終小于方案1，即支護結構更安全。錨桿應力增量很大，尤其在方案2中錨桿在蠕變期間支護作用得到充分發揮。方案2圍巖位移、襯砌和錨桿的水平位移均大于方案1，總體而言圍巖蠕變發展程度高于方案1。

為了更直觀地展示開挖支護后隧道的長期變形，選取第7進尺段二次襯砌臨空面上的左拱腰、拱頂左側、拱頂、拱頂右側、右拱腰共5個關鍵點，對比2種方案蠕變期間的位移，見圖6。可見:兩者拱頂水平位移相差不大，但越接近拱腰，不僅水平位移變大，而且2種方案之間的差距也越來越大，最大相差3.42 cm。受水平方向強烈構造應力的作用，蠕變30年時關鍵點豎向位移均向上。同時受巖層產狀影響，2種方案豎向位移由大到小依次是拱頂＞拱頂左側＞拱頂右側＞右拱腰≈左拱腰。方案2中關鍵點豎向位移小于方案1，拱腰處相差較小，越接近拱頂相差越大，最大相差3.81 cm。蠕變5年時，水平向蠕變變形量已達到最終變形量(蠕變30年)的90%左右，豎向蠕變變形量則達到最終變形量的85%以上。

圖6 2種方案蠕變期間的位移對比

5 結論與建議

本文對比分析了木寨嶺隧道炭質板巖(Ⅴ級圍巖)段在2種開挖支護方案下施工及長期蠕變期間圍巖、支護結構的應力和變形特征。主要結論如下:

1)圍巖與支護結構中的應力分布和變形特征很大程度上受水平方向強烈構造應力和巖層產狀的影響。

2)炭質板巖蠕變會降低圍巖中的應力，襯砌和錨桿的應力則有大幅增加。蠕變導致洞周圍巖松弛，同時有更大的力作用在支護結構上，從而為軟巖隧道長期運營帶來隱患。

3)在初期支護和二次襯砌之間增設輕質混凝土緩沖層有利于隧道圍巖應力和變形的調整，可有效降低支護結構受力，從而充分發揮二層襯砌與錨桿的長期支護作用，更適用于高地應力條件下長期流變特征明顯的軟巖段隧道支護。