深埋軟巖隧道臺階法施工過程力學效應研究及優化

張 凱

重慶交通大學土木工程學院（400074）

0 前言

我國西部地區很大一部分都是山區，并且地質地貌復雜多樣，軟巖分布較為廣泛。近年來，我國西部大開發計劃在不斷進行的過程中，大量山區公路隧道如雨后春筍般修建。當隧道位于軟巖地區時，大多高應力軟巖隧道出現了變形問題[1]。在軟巖地區隧道不斷增多的同時，我們也在處理軟巖大變形的問題上積累了重要經驗。隧道的大變形不是在開挖后的短時間內發生的，而是在經過一段時間的變形積累，隧道才產生的失穩破壞。可以推斷，隧道的變形失穩與時間長短有關[2-3]。很長時間以來，我們使用經典的彈塑性模型對軟巖隧道變形進行模擬存在著許多難以解決的問題。因為彈塑性模型理論認為，隧道開挖后的變形是瞬時形成的，隧道的失穩破壞也是開挖后很快發生的，而實際上軟巖隧道需要一段時間后變形才趨于穩定，即使變形達到穩定后，巖體與支護還可產生應力松弛，因此只有從流變力學的觀點才能作出合理的解釋[4-6]。

因此，文章主要研究軟巖的流變現象，為軟巖隧道的設計與施工提供依據。文章以兩江隧道工程為例，該隧道多為IV、V 級圍巖，在修建過程中多次遇到大變形，使隧道支護開裂、剝離，甚至出現剪切破壞。在借鑒前人成果的基礎上，利用依托工程進行試驗研究、數值計算、理論分析，對軟巖隧道圍巖穩定性進行討論，并著重研究軟巖隧道支護時機及開挖的時空效應，為其他類似工程提供一定參考，具有重要的社會及經濟意義。

1 計算及建模

1.1 計算背景及襯砌荷載計算

兩江隧道為山嶺隧道，地下水豐富，圍巖等級為IV 級，埋深為56 m，隧道開挖半徑為5.5 m。該隧道的巖土體容重24.6 kN/m3，彈性模量為 3.5 GPa。土體泊松比為 0.34，凝聚力為 0.6 MPa，內摩擦角為35°，襯砌結構采用C30 混凝土。

經驗方程法是對巖石進行一系列試驗，利用數學方法建立起來的流變公式,具有典型的數學形式，能擬合較多的巖石流變特征。利用數理統計學可以擬合得出巖石蠕變的試驗結果[6]。

巖石蠕變的經驗方程通式為

式中，ε（t） 為 t 時間內的總應變，ε0為瞬間應變，ε1（t）為減速蠕變階段應變，ε2（t）為等速蠕變階段應變，ε3（t）為加速蠕變階段應變。

目前通過巖石試件試驗獲得的典型蠕變方程主要有:

1.1.1 冪函數型方程

表達式為:

式中，B、n為試驗常數，其值與材料性質、應力水平及穩定條件有關。

1.1.2 對數型方程

表達式為：

式中，B、C 為試驗常數，ε0為初始彈性應變。

1.1.3 指數型方程

表達式為:

式中，B為常數；f（t）為t的函數。

本次采用的是“地層結構法”對隧道襯砌進行設計計算，這體現了設計的經濟性。首先結合《公路隧道設計規范》進行圍巖壓力的計算，其中，水平荷載和豎向荷載均近似按照均布荷載考慮。

判斷深淺埋隧道:

隧道埋深大于2.5 倍hq，故為深埋隧道。

豎向壓力為122.76 kN/m3。水平土壓根據經驗公式:

1.2 有限元模型的建立

使用大型通用有限元Abaqus 軟件建立彈塑性本構模型，在hypermesh 模塊中建立beam 梁單元。首先在Part 模塊內確立三維坐標及開挖方向，將建好的隧道模型在Mesh 模塊中進行網格劃分。然后，將建立的多個Part 模型進行裝配，并賦予其相關材料屬性。接著，根據隧道的實際地質狀況對模型施加約束，并且對其施加豎向及水平荷載。在用Abaqus 模擬時，已知的隧道埋深、巖土容重等相關參數計算出該埋深下隧道的初始地應力以及巖土的孔壓。將計算出的初始重力載荷均勻地施加在模型頂部截面。

為減小有限元模型中邊界約束條件對計算結果產生的不利影響，計算模型的邊界范圍在各個方向上均大于3 倍的洞跨。具體計算時，計算域在水平方向寬度取100 m，在豎直方向取豎直長度為60 m，隧道縱深為56 m。隧道模型左面、右面和底面均為固支約束，頂面為自由面。隧道采用臺階法開挖。

2 計算結果分析

根據模型數值計算的結果，對兩江隧道臺階法開挖引起的軟巖段圍巖豎向變形與應力進行分析。在開挖過程中得出縱向不同斷面位置拱頂下沉量、隧底隆起量。

圍巖豎直方向位移在隧道開挖完成后最大值出現在拱頂處，達到37 mm，左右側沉降呈對稱分布，左右拱腰處圍巖拱頂沉降值約為33 mm，拱頂沉降有拱頂＞拱腰＞邊墻的趨勢，拱底處出現圍巖隆起現象，最大隆起值約為27 mm。圍巖塑性區很小且出現在拱腳處，這可能是由于拱腳處應力集中造成的，圍巖處于安全狀態。

上臺階及中臺階開挖后，H1、H2、H3 三點的拱頂沉降急劇增大，其值分別為33 mm、31 mm、31 mm，約占穩定后數值的77%。待中臺階開挖后，圍巖沉降的速率逐漸降低。拱頂沉降主要集中在圍巖開挖后的一周內，隨著掌子面不斷前移，掌子面的開挖對該斷面沉降的影響也越來越小，與監控測量的實際數據相吻合。

由分析可知: 高地應力軟巖隧道采用臺階法開挖通過時，拱頂最大沉降量為3.1 mm，隧底最大隆起量為5.7 mm，該最大變形與W 級圍巖隧道最大變形閥值比較接近。此外，根據計算結果整理得到:采用臺階方法開挖，襯砌上最大彎矩為1 000 kN/m，最大彎矩在拱腳處，而襯砌拱腳設計的最大彎矩為1 200 kN/m，很明顯支護結構抗彎能力仍有發揮余地。

3 結語

針對兩江隧道軟巖段的環境特點和地質條件，提出采用臺階法開挖，輔助采用超前小導管支護。

隧道開挖后，拱頂的沉降值有著急劇增大、緩慢增大、趨于穩定的趨勢，開挖8 d 內的位移值達到最終位移的80%，可提供現場施工指導。

在初噴混凝土強度未達到設計強度時，圍巖的初期壓力主要由鋼拱架承擔，鋼拱架內外側均受壓，外側應力平均大于內側應力。拱頂處的應力大于其他的部位。通過安全級別預測判斷，圍巖開挖過程中安全級別始終處于安全和基本安全狀態。

現場測試結果表明，理論計算值與現場測試值基本吻合。工程實踐證明，兩江隧道在通過高地應力軟巖段時，采用臺階法開挖，并輔助其他工法進行超前支護和加固，同時采取信息化監控量測措施和風險防范措施，可有效地控制隧道受力和變形，確保隧道通過高地應力軟巖段的施工安全。