初始水平地應力對高地應力隧道施工穩定性的影響

賴孝輝

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

高地應力一般指初始應力中的水平初始應力分量大于上覆圍巖產生的自重應力分量的情況，且與巖體的荷載強度比有關[1]。當隧道埋深較大且位于構造運動頻繁的區域時，會普遍出現高地應力現象。高地應力隧道開挖后，因受到擠壓、卸荷等因素的綜合作用，圍巖常出現松動、開裂等現象，嚴重時則會導致巖爆或大變形等災害[2]。

近年來，大量學者對高地應力硬巖隧道的力學機理和圍巖穩定性展開了研究。吳文平[3]等通過現場試驗和數值分析等方法，建立了全面且實用的深埋硬巖隧洞圍巖破壞模式的分類方法，并在錦屏II級水電站地下隧洞得到了應用；李建興[4]等利用能量理論，對米倉山隧道施工過程進行了數值模擬計算，探究了高地應力硬脆性裂隙圍巖隧道的失穩及結構破壞機理，并提出了相應的解決措施；蘇利軍[5]等通過數值模擬對不同埋深條件下的圍巖穩定性進行了分析，得到了不同埋深條件下硬巖圍巖的變形分布等多種特性，并使成果在引大濟湟工程中得到了應用；趙宇松[6]等基于相似理論，進行了雙孔并行隧道的模型試驗工作，并分別用Mohr-Coulomb和Plastic-Hardening兩種本構模型進行了數值模擬，得出了Plastic-Hardening模型更能反映實際工程中巖土體狀態的結論；陳景濤[7]等應用彈-脆-塑性本構模型，模擬了某水電站地下洞室群的開挖過程，對位移場、應力場和塑性區的演化過程進行了分析。

同時初始水平構造應力也是影響高地應力隧道圍巖穩定性的重要因素[8]，針對該問題，本文選取我國西部山區某一具有高地應力特征的典型隧道，通過有限差分軟件FLAC3D，研究高地應力硬巖隧道在施工期的受力與變形特征，并分析水平構造應力對隧道施工的影響。

1 工程概況

位于我國西部山區的某深埋特長越嶺公路隧道，長13 459 m，最大埋深達到1 468.93 m，隧道沿線斷層眾多，構造作用強烈，隧址區內廣泛分布以花崗巖與閃長巖為主的硬質巖漿巖，是典型的高地應力硬巖隧道。其縱斷面圖如圖1所示。

圖1 隧道縱斷面

2 數值模擬

2.1 初始水平地應力的施加

根據該隧道現場水壓致裂法地應力測量成果，測得水平主應力最大值為30 MPa，而地應力反演的結果顯示，隧道軸線附近最大水平主應力可達50 MPa，據此可將應力值大小分為三個等級：20～30 MPa、30～40 MPa、40～50 MPa。故選取該隧道中埋深最大的斷面，分別施加初始水平地應力20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa，利用有限差分軟件FLAC3D采用相應的開挖工法和支護參數進行計算。

2.2 模型的建立

所建立模型如圖2所示，模型尺寸為100 m×48 m×100 m(長×寬×高)。模型底面邊界和前后左右五個邊界均施加法向約束。圍巖視作均質彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb準則。圍巖、初期支護、二次襯砌、注漿加固圈采用實體單元進行模擬，錨桿采用Cable單元模擬。開挖采用上下臺階預留核心土法，開挖進尺為1 m，上下臺階的長度為5 m，預留的核心土長度為3 m。輔助工法采用錨桿支護，錨桿之間的縱向間距為0.8 m，環向間距為1 m。計算所涉及的圍巖及支護結構物理力學參數見表1。

3 計算結果分析

3.1 圍巖的變形特征

為研究圍巖的變形特征，提取隧道的位移云圖如圖3所示，當隧道所受的初始水平應力較小時，最大位移出現在隧道的拱頂和仰拱處，隨著初始水平應力的增加，隧道最大位移所在位置逐漸向拱腰處移動。當初始水平應力從20 MPa增加到30 MPa時，最大圍巖變形量從36.49 mm減小到33.50 mm，減小了8.19 %。當初始水平地應力從40 MPa增加到50 MPa時，圍巖的最大變形量從34.99 mm增加到45.97 mm，增長了31.38 %。說明隨著水平應力的增加，拱頂處圍巖的位移受到約束，而拱腰部位的位移逐漸增大，在此過程中隧道周邊圍巖的最大變形值呈先減小后增加的趨勢。

(a)整體模型

表1 圍巖及支護結構物理力學參數

(a)20MPa

3.2 圍巖的應力特征

為了研究圍巖應力隨施工過程的變化特征，以計算模型的中間截面為目標斷面，監測該斷面拱頂、拱肩、拱腰和仰拱處的最小主應力數值隨施工步的變化情況。并繪制如圖4所示的主應力變化曲線。

(a)20MPa最小主應力隨荷載步的變化

可以看出，在距目標斷面開挖前4個荷載步，即距離目標斷面8 m時，隧道的施工已經對監測斷面位置的圍巖應力產生了顯著的影響。隧道上臺階開挖后，拱頂和拱肩處的壓應力迅速減小，主應力大小顯著增加。拱腰處的最小主應力有所降低，壓應力向拱腰處的圍巖轉移。下臺階開挖后，高地應力隧道拱頂處圍巖內部的壓應力迅速增加，最小主應力顯著降低；而拱腰處的壓應力迅速降低，最小主應力顯著增加。這說明水平地應力的分布在隧道拱腰處發生向拱頂處的偏轉，在拱頂位置出現壓應力集中。

初始水平地應力依次增加時，拱頂處的最小主應力分別為-40.9 MPa、-62.8 MPa、-82.6 MPa和-100 MPa，近似呈線性的增長。當初始水平應力為50 MPa時，拱頂處圍巖內部的壓應力接近巖體抗壓強度的極限值。因此在高地應力硬巖隧道施工時要格外注意拱頂處的圍巖狀態，防止出現掉塊、冒頂等災害，必要時應采用錨桿和注漿等輔助工法從內部加固巖體提高圍巖的承載能力。

3.3 圍巖的塑性區特征

提取圍巖的塑性區分布情況如圖5所示。由圖可知硬巖隧道開挖后產生的塑性區范圍不大，這是硬巖圍巖的彈性強度較高的緣故。且由于仰拱處承受由圍巖自重引起的更大的豎向應力，而仰拱處隧道結構的起拱線較為平緩，其曲率半徑較大，該結構形式不利于承受圍巖壓力，因此在隧道仰拱下方出現了范圍更大的塑性區。

(a)20MPa

同時隨著水平初始應力的增大，隧道周邊圍巖的塑性區范圍也有所增加，且當水平初始應力為50 MPa時，拱肩處的圍巖也產生了范圍較大的塑性變形。從前文可知，隧道拱頂處巖體內部承受最大的壓應力，但是拱頂處的圍巖幾乎沒有產生塑性變形。這是因為在數值計算過程中，拱頂處的圍巖采取了注漿加固的措施，使得該部分圍巖的力學特性得到了提升。可以看出，采用注漿等措施從內部加固圍巖可以顯著提升圍巖的穩定性，是保障施工安全的有效方法

3.4 二次襯砌內力特征

二次襯砌的內力也是反映隧道穩定性的重要因素。根據下式(1)及式(2)求出二次襯砌混凝土截面的軸力和彎矩，并繪制如圖6所示的二次襯砌內力分布圖。

(1)

(2)

式中：N和M分別為混凝土截面的軸力和彎矩；σ(x，y)為截面上正應力的分布；l(xc，yc)為某一積分區域合力點到中和軸的距離。

(a)二次襯砌軸力

由圖6可知，二次襯砌內部軸力全部為壓應力，軸力較大的位置主要集中在拱頂和拱肩位置，拱腰和拱底處的軸力較小。隨著水平構造應力的增大，二次襯砌各點位置的軸力均不斷增加。當初始水平應力為20 MPa時，拱頂處的軸力大小為1 231.9 kN，當初始水平應力增加至50 MPa時，拱頂處的軸力為3 403.8 kN，增加了176.3 %。

規定以二次襯砌內側受拉為彎矩的正方向，正彎矩出現在二次襯砌的拱頂、拱底和邊墻下部位置，而負彎矩則出現在拱肩、拱腰和拱腳處，由于拱腳處隧道二次襯砌的幾何形狀發生突變，負彎矩在拱腳處達到峰值。隨著水平構造應力的增大，二次襯砌各點位置的正、負彎矩數值均有所增加，當水平構造應力從20 MPa增長為50 MPa時，拱頂處的最大正彎矩增長了6.53 %，拱腳處的最大負彎矩增長了12.9 %。

可以看出，穿越高地應力巖體隧道的軸力和彎矩數值均較大，安全系數較低。應當適當增加二次襯砌的厚度以確保隧道運營期的安全。

4 結論

本文通過建立三維模擬，對高地應力硬巖隧道開挖過程進行了模擬。研究了不同初始水平地應力對高地應力硬巖隧道開挖過程中圍巖穩定性的影響，得到以下結論：

(1)當隧道所受水平應力從20 MPa依次增加至50 MPa時，隧道最大位移所在位置逐漸從拱頂、拱底向拱腰處移動，且隧道最大位移隨著水平初始應力的增加，呈先減小后增大的趨勢。

(2)隧道施工會對開挖面后方8 m范圍內的圍巖應力產 生顯著影響。隧道上臺階開挖后，拱頂和拱肩處的最小主應力會顯著增加，拱腰處的最小主應力有所降低，壓應力向拱腰處的圍巖轉移。當隧道所受初始水平地應力依次增加時，拱頂處的最小主應力近似呈線性增長。

(3)高地應力硬巖隧道開挖引起的塑性區范圍不大，主要集中在隧道周邊及仰拱下方。隨著隧道所受初始水平應力的增加，塑性區范圍也有所增加，在拱肩處更為明顯。且注漿等措施可以從內部加固圍巖，有效控制塑性區的產生。

(4)在高地應力條件下，二次襯砌所受彎矩和軸力值均較大。二襯所受軸力均為壓力，并在拱頂和拱肩出現顯著大于其他部位的軸力值。軸力值還會隨著隧道所受水平應力的增加而顯著增加。二次襯砌拱頂、拱底和邊墻下部受正彎矩，其余部位受負彎矩，且彎矩和軸力值的大小均會隨隧道所受初始水平應力的增加而有所增大。