軟弱圍巖掌子面擠出變形影響因素分析

楊柳 劉陽

摘 要：通過工程實踐表明，在軟弱圍巖隧道施工過程中，掌子面擠出變形非常明顯，最新的研究結果顯示，掌子面擠出變形對隧道的穩定性有很大影響。本文以臺階法為例，考慮Ⅴ、Ⅵ級軟弱圍巖，對影響掌子面擠出變形量的主要因素，包括圍巖級別、埋深、地應力組合狀態等進行有限元計算分析，從而對現場施工提供一定的參考。

關鍵詞：軟弱圍巖；臺階法；掌子面；擠出變形

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.076

0 引言

隨著我國高速鐵路技術的不斷發展，為了克服客運專線上高速列車在隧道內運行所引起的空氣動力學問題，客運專線上的隧道基本采用雙線鐵路隧道通過，這些隧道軌面以上的凈空面積為100 m2以上，開挖斷面積都在150 m2以上[1]。

掌子面及其前方圍巖，對隧道的穩定性有很大的影響，因此維護掌子面的穩定至關重要，但是由于隧道掌子面是施工最集中的地方，通常會受到很多的擾動，由于人們對掌子面的擠出變形不夠重視，引起了很多安全問題。許多隧道在開挖后施工施做支護之前，出現了掌子面塌方，而在初期支護完成后，圍巖又出現大變形，變形持量不收斂，表現為初期支護混凝土破裂、鋼拱架扭曲[2]。

1 工況及計算條件

利用大型有限元計算軟件ANSYS，參照時速200 km/h客貨共線隧道標準斷面尺寸，采用數值模擬的方法分別對單線和雙線隧道，施工方法采用目前現場應用比較廣泛的臺階法，計算中臺階長度上臺階和下臺階都為8m。地質條件為Ⅴ、Ⅵ圍巖兩種情況，埋深300 m。計算模型如圖1所示。

在軟弱圍巖中，經過實踐表明，導致掌子面發生擠出變形的主要影響因素是：相對較高地應力和較差的地質條件。而地應力與埋深關系比較大，并且在具體施工中，掌子面的開挖尺寸也是對掌子面擠出變形影響較大的一個重要因素。因此，在分析中要全面考慮這些影響因素的作用。綜上所述，具體分析工況如下：

（1）圍巖級別影響效應。軟弱圍巖從圍巖級別上大多屬于Ⅴ、Ⅵ級圍巖，這類圍巖強度低，變形持續時間長，尤其是工程擾動對它的影響極其明顯。在掌子面范圍內，不能形成明顯的承載拱，塑性區使圍巖松動范圍較大，從而引起較大的掌子面擠出變形。當然對部分大斷面隧道工程，由于開外尺寸的影響，Ⅳ級圍巖也有可能會產生這些問題。

綜上所述，在數值模擬計算中，我們考慮了Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ三個圍巖級別的不同工況，為了排除其他因素的影響，埋深統一按300m計算，地應力水平考慮重力場。

（2）埋深影響效應。較大的隧道埋深往往會引起圍巖壓力的增加，同時也會對初始應力場產生很大影響。這些都會引起較大的掌子面擠出變形，從而對隧道的穩定性很不利，因此埋深也是我們要考慮的主要因素之一。

為了排除其他因素的影響，我們在計算中只考慮Ⅴ級圍巖隧道，為了區別不同的開挖尺寸，單、雙線隧道分別進行研究，按100 m、300 m、500 m三種埋深計算。

（3）不同地應力組合狀態影響效應。工程實踐表明，水平地應力水平也是掌子面穩定性的影響因素之一。在計算模型中，豎直應力場只考慮自重應力場，而水平地應力系數組合工況如表1所示（表中λ1為橫向水平地應力系數，λ2為縱向水平地應力系數），為了排除其他因素的影響，圍巖級別我們只考慮按Ⅴ、Ⅵ級圍巖，而埋深統一確定為300m，并且只考慮雙線隧道。

2 計算結果分析

2.1 圍巖級別影響效應

只考慮圍巖級別時，單雙線隧道，臺階法施工中不同圍巖級別隧道掌子面擠出變形最終變形量的數值計算結果如表2所示。此時隧道的埋深都是統一的300m。

通過計算結果我們可以得出，當圍巖較穩定時，無論單線還是雙線，掌子面擠出最終變形量不明顯。而圍巖較軟弱時，例如Ⅴ、Ⅵ級圍巖掌子面擠出變形增長較快，尤其是開挖尺寸較大時，更為明顯。

2.2 埋深影響效應

當圍巖級別相同時，我們只考慮不同埋深下，不同開挖尺寸隧道掌子面最終擠出變形量。計算結果如表3所示。

從數值模擬計算結果可以看出，當臺階法施工時，上下臺階的掌子面擠出變形與埋深均成正比增長關系，隧道埋深對掌子面穩定性的影響要若于圍巖級別，這說明地質條件對掌子面是很重要的，這在不同開挖尺寸時都有體現，相對來說，埋深的影響雙線隧道要更明顯一些。

2.3 地應力組合形態影響效應

在分析地應力組合形態影響效應時，為了減小工作量，我們只考慮雙線隧道，各工況計算結果見表4。

不同的工況組合，代表不同的水平和軸向地應力水平，具體工況見表1。通過對數值模擬計算結果的分析表明，當地質條件和隧道的埋深都一致時，掌子面最終的擠出變形量與水平地應力水平成正比。但是，分別分析橫向和縱向可以看出，當橫向地應力變化時，對掌子面擠出影響不明顯，而軸向地應力則不同。

3 小結

（1）圍巖級別越高，掌子面擠出變形的數值越大，兩者成正比例關系。相對來說，Ⅵ級圍巖掌子面擠出變形并不明顯，還處于安全范圍，而Ⅴ、Ⅵ級圍巖掌子面擠出變形數值較大，需要引起足夠重視，否則可能引起掌子面失穩等災害。

（2）埋深對掌子面擠出變形的影響也很明顯，其影響程度僅次于圍巖級別，這在單線和雙線隧道中情況是類似的。在臺階法施工時，上下兩個臺階受埋深影響都很大，尤其是上臺階尤其要注意埋深的影響。對于不同的開挖尺寸來說，雙線隧道要比單線隧道更明顯一些。所以開挖尺寸越大，越要加強這方面的監測。

（3）當地質條件和埋深都相同時，水平地應力的影響也很明顯，擠出變形和水平地應力水平呈正比例關系。計算表明，在不同地應力組合狀態下，擠出變形的數值也有一定區別，橫向地應力和縱向地應力組合出不同工況，可以得到隧道掌子面擠出變形受軸向地應力水平影響較大，而受橫向地應力影響較小。

（4）綜上所述，結合數值模擬結果，可以得到各因素對于掌子面擠出最終變形量值的影響程度，由大到小可以依次為：圍巖級別、水平地應力、埋深。

參考文獻：

[1]趙東平，王明年.客運專線超大斷面隧道施工過程三維力學分析[J].現代隧道技術，2005，17（04）：20-24.

[2]卿三惠，黃潤秋.烏鞘嶺特長隧道軟弱圍巖大變形特性研究[J]. 現代隧道技術，2005，17（04）：85-88.

作者簡介：楊柳（1982-），女，河南鄲城人，本科，講師，研究方向：建筑工程技術。