隧道軟弱圍巖的受力變形研究

雷濟榮，汪 陽，甘沁霖

(1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022;2.武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室，武漢 430070)

近年來，我國在長距離交通這方面需求逐年提高，快速便捷的交通工具拉近了人們之間的距離。然而對于我國中西部地區，由于多屬山地地形，形成貫通的交通網絡就需要穿過這些山脈，開挖隧道便是最經濟合理的方式。隧道開挖會面臨施工環境較差、土體情況復雜、施工難度較大等問題，其中軟弱圍巖對于隧道開挖影響尤為突出。對于軟巖的研究，國外要較早于國內，最早太沙基[1]提出一種圍巖計算公式，由于公式著重考慮巖體內部粘結力的作用，一般適用于埋深較淺的隧道。隨后，Rabeewicz L V[2]經試驗提出一種新型支護理論，即“新奧法”。圍巖和襯砌被看作一個承擔作用的整體，充分發揮了圍巖自身承載力，而支護結構起到加固作用。國內學者鄭雨天[3]、陸家粱[4]等人將彈性力學和塑性力學理論引入隧道軟巖的研究中，在“新奧法”的基礎上提出“聯合支護”理論，即將隧道開挖中支護部分分為多個階段進行數次的支護加固，同時進行相應的測量和監視措施，達到保證軟巖穩定的目的。近些年，有限元軟件的出現，使軟弱圍巖的受力變形研究更加高效。何振寧[5]等人指出高地應力軟弱圍巖大變形等五種圍巖變形模式；張浚厚[6]利用分析軟件FLAC對堡鎮隧道進行數值模擬,得出高地應力環境下的施工更容易造成初期支護結構破壞和擠壓變形；蘇道振[7]利用BP神經網絡方法，比較準確地預測隧道圍巖的拱頂沉降及圍巖收斂。

根據巖體情況將某隧道劃分為各個區段，分析各區段的巖石組成與特性并評定不同等級，再選取各個合理斷面，利用有限元軟件建立一定長度的斷面模型，最終選定合理的開挖方法，并利用數值仿真分析了開挖不同階段的不同等級的圍巖的受力變形特點。

1 隧道巖體地質概況和施工方法

1.1 地質概況

隧道軟弱圍巖巖體[8]大致分為第四系地層、沉積巖地層、變質巖地層3類。根據勘測結果，將隧道在軟巖范圍內的開挖長度劃分為5個區段：①ZK10+415.000～ZK10+513.000，此段內巖體主要由第四系崩坡積層塊石組成，塊粒松散，圍巖的整體穩定性較差，且位于隧道入口處，若支護措施不當容易發生圍巖失穩，整體屬于Ⅴ級圍巖。②ZK10+513.000～ZK10+563.000，此段內巖體主要由中風化千枚巖、砂巖組成，內部縫隙較多，整體性很差，整體屬于Ⅴ級圍巖。③ZK10+563.000～ZK10+925.000，此段內巖體主要由千枚巖、角巖等組成，整體穩定性較差，并且經判斷此段圍巖內存在斷層現象，整體屬于Ⅴ級[9]圍巖。④ZK10+925.000～ZK10+988，此段內巖體主要由中等風化的花崗巖、閃長巖等組成，巖塊較為堅硬，但節理和裂隙發育明顯，整體性較差，整體屬于Ⅳ級圍巖。⑤ZK11+227.000～ZK11+300.000，此段內圍巖以花崗巖和堅硬閃長巖為主，巖體整體較為堅硬，但經初步判斷，其內部存在兩種主要巖體的分界線，巖體裂縫發育明顯，有破碎的現象，整體屬于Ⅲ級及以上等級圍巖，故不將其列為研究對象。

1.2 施工方法

由于軟巖的自穩能力較差，破壞形式多種多樣，很難檢測和預報，選擇合理的開挖方法并采取正確的加固方案尤為重要。故而采用預留核心土三臺階法開挖隧道[10]：將斷面分為上臺階、中臺階、下臺階、預留核心土和仰拱幾個部分，自上而下依次開挖，每個步驟開挖完成后及時支護，整體施工縱向錯開，逐步向前推進。在開挖過程中，需要及時設置超前支護，適當加強隧道斷面拱腳的支承力，增強初期支護的連接等措施加強圍巖的整體穩定性，且按要求設置排水系統，防止隧道內涌水浸沒結構設備造成安全隱患。

2 數值模型建立與受力變形分析

2.1 模型建立與相關參數

模型以隧道開挖段內3個Ⅴ級圍巖區段和2個Ⅳ級圍巖區段為研究對象，選取每一段內某一具體斷面作為研究對象，并將各區段由1～5進行編號。具體圍巖力學參數、錨桿、支護相關參數見表1。

表1 圍巖和支護參數

隧道斷面的最大寬度為11.06 m，最大高度為8.65 m，埋深為200 m，單次開挖進深單元為2 m。為限制邊界位移，在模型x方向設置約束；為限制其底部位移，在模型x、y方向設置約束。所建模型見圖1、圖2。

2.2 有仰拱隧道內力變形分析

對1號圍巖，用有限元軟件分析了各開挖步驟下圍巖水平位移圖，研究結果見表2。

表2 一號圍巖各測點水平位移 /mm

表2研究結果表明，在第1步開挖階段上臺階左測點與上臺階右測點水平位移與其他測點相比較大，但隨著開挖的進行，上臺階左右測點位移逐漸減小，下臺階左右測點位移逐漸變大，其中第3步開挖階段位移最大為18.99 mm。最終水平位移最大處為下臺階右側點，為45.47 mm。

隧道開挖結束后拱頂及上臺階處沉降值見表3。

表3 一號圍巖拱頂及上臺階處沉降 /mm

從表3可知，由于隧道圍巖性質較差，初始地應力作用下圍巖Y方向上的沉降量較大，為163.613 mm。在開挖過程中，第1步對拱頂圍巖沉降量影響最大為44.456 mm。由于及時采取支護措施，第2、3步對拱頂圍巖沉降量分別為1.652 mm和1.024 mm，最終沉降量為42.576 mm，略有減小。

最后通過模型計算了圍巖的應力狀態來判斷其整體穩定性，各測點應力值計算結果見表4。

表4 一號圍巖各測力點應力值

表4計算結果表明，在第1步開挖階段上臺階左右測點應力值最大為4.97 MPa，下臺階左右測點及拱頂測點應力值較小僅為0.654 MPa。但是在第3步開挖階段，下臺階左右測點及拱頂測點應力達到最大值分別為3.80 MPa和1.77 MPa。可以判斷此時圍巖最容易發生失穩，應該加強支護措施以及監測。施工過程中開挖土體轉折處易出現應力集中，應采取適當措施防止支護結構局部破壞。

2.3 無仰拱隧道內力變形分析

對于某些工程條件比較特殊的地方，因地下水位、特殊地形、施工條件等因素，隧道內不便設置仰拱。由于不設仰拱，隧道內軟巖的受力變形會發生改變。通過建立模型采用同有仰拱隧道相同的條件進行對比分析。以1號圍巖分析結果為例，僅有第4步開挖過程有較大變動，各測點水平位移計算結果見表5。

表5 一號圍巖各測點水平位移 /mm

表5計算結果表明，有仰拱隧道與無仰拱隧道僅在第4步開挖過程有區別，上臺階左右測點與拱頂測點水平位移由1.132 mm增至1.919 mm，下臺階左右測點分別由13.069 mm、13.487 mm增加至19.201 mm、18.816 mm。可以看出仰拱對隧道圍巖水平方向穩定性起到較大作用。

再分別計算了隧道開挖結束后拱頂及上臺階處沉降值見表6。

表6 一號圍巖拱頂沉降 /mm

由表6可知，無仰拱隧道拱頂沉降為208.032 mm，相比有仰拱隧道沉降增加了1.843 mm，初步表明仰拱對于拱頂沉降有一定抑制作用。

最后通過模型分析了圍巖的應力狀態來判斷其整體穩定性，僅有核心土開挖階段的應力圖有較大差別，各測點應力值計算結果見表7。

表7 一號圍巖各測點應力值 /MPa

表7計算結果表明，拱頂和上臺階測點應力值由0.87 MPa增大至1.66 MPa，下臺階測點應力值由4.65 MPa增大至5.54 MPa，可見仰拱的設置能在一定程度上降低圍巖應力。

3 結 論

a.在上臺階開挖前設置足夠的拱頂預留變形量，且在施工中做好超前支護措施。

b.隧道斷面轉角處容易產生應力集中現象， 應在施工中加強轉角處的防護結構，增加錨桿數量，增大噴射混凝土厚度，保證施工安全。

c.為減小事故概率應盡量避開Ⅴ級巖體區域、條件允許的情況下盡量開挖仰拱保證隧道的穩定性。

d.仰拱能夠在一定程度上限制圍巖的變形，減小圍巖內部的應力值，故在條件允許的情況下應盡量開挖仰拱。