破碎泥質圍巖遇水軟化時機對臺階工法隧道力學性能影響分析

李 鴻

(中機中聯工程有限公司，重慶 400039)

隧道工程受地質環境影響較大，特別是當隧道穿越破碎地層時，常會導致大變形等相關地質災害，已成為理論界和工程界極其關注的問題[1-3]。由于對大變形形成機理，控制方法認識的不足，國內外隧道發生大變形地質災害的工程事例屢見不鮮，它一直是困擾地下工程界的一大難題。國外如日本Enasan隧道、奧地利Tauern隧道等[4]，國內如家竹菁隧道、關角隧道、大寨嶺隧道、堡子梁隧道、二郎山隧道、烏鞘嶺隧道、籃家巖隧道等都出現過影響較大的大變形情況[5-8]，給工程建設造成了很多困難[9-12]。

由破碎泥質巖隧道的施工研究表明，泥質巖隧道的變形很多情況下是由于地下水作用下泥質巖體產生較為明顯的強度損失導致的，體積擴容現象并沒有膨脹巖那么明顯，本文通過分析某臺階工法隧道泥質巖遇水軟化產生時機對隧道力學性能的影響，以期揭示泥質巖遇水軟化產生時機與隧道結構安全的關聯性，供泥質巖隧道工程建設參考。

1 隧道工程概況及計算模型

本文以某隧道工程為依托進行研究，該隧道全長6.5 km，洞身最大埋深263 m，洞高12.2 m，寬14.6 m，斷面形式如圖1所示，初支厚0.25 m(C25)，二襯0.45 m(C30)，軟巖區段設置錨桿和鋼拱架，錨桿長度3.5 m(0.8 m梅花型)，型鋼鋼拱架型號為I25B(縱距0.8 m)。隧址區地形起伏較大，橫向沖溝發育，控制區段圍巖以薄層狀泥質巖地層為主，圍巖等級為Ⅴ級，節理裂隙極其發育，巖體較破碎，施工采用上下臺階法。

圖1 依托隧道工程橫斷面

計算分析采用平面應變模型，縱向取Z=0～-1 m，橫向X=-60～60 m，豎向Y=0～160 m，仰拱底部到底邊界74 m。底邊界、前后邊界(Z向)、左右邊界(X向)均施加法向約束，上邊界為自由邊界，并施加按等效自重應力計算的邊界應力值。圍巖、二襯、初支均采用實體單元模擬，錨桿加固區、初支鋼拱架采用等效提高單元參數進行模擬。計算工具采用FLAC3D，相關參數見表1，根據現場工程經驗錨桿加固區參數按照圍巖參數提高20 %選取(圖2)。

圖2 數值計算模型

2 施工步驟及工況

根據施工工序，將圍巖弱化時機設置為如下5種工況：上臺階開挖錨桿后(工況1)、上臺階初支施做后(工況2)、下臺階開挖錨桿后(工況3)、下臺階初支施做后(工況4)、二襯施做完成后(工況5)。即分別在這5個階段開始對圍巖強度進行折減，工況見表2，進行數值模擬時，在設定的工況時刻后，每計算10個時間步進行一次塑性區搜索，應力釋放通過控制施做支護前的計算時間步來近似控制，根據工程試驗資料，泥質圍巖遇水軟化后的強度按照最初強度的30 %折減。

表1 數值模擬模型參數

表2 施工工序及工況

3 圍巖遇水軟化時機對隧道的影響分析

3.1 位移影響分析

選取各工況拱頂沉降、底板隆起、上臺階收斂、下臺階收斂進行位移分析，各工況位移見圖3?？梢钥闯觯焊鞴r中隧道上臺階開挖后洞周位移便開始產生，且均無收斂趨勢，從發展變形速率來看，上、下臺階的水平變形速率較拱頂和底板隆起要快；從各工況A段1、3和C段2、4可以看出，錨桿支護后變形速率仍然較大，圍巖應力釋放較快；初期支護閉合后，變形速率明顯降低，但變形仍按照較低的速率發展；二襯施做后，變形逐漸得到控制，且有明顯收斂趨勢，各工況變形趨勢大致相同，最終收斂量值有差異。

可以推斷如果支護施作過晚，會導致更大的收斂值或不收斂，所以及時支護在施工中是很有必要的。下臺階開挖后，圍巖再一次發生應力重分布，洞周位移繼續發展，從變形速率來看，下臺階的開挖對下臺階收斂影響更大，底板隆起值受其影響更??；如圖4所示，上、下臺階初支交接位置洞周剪應力較大，應力較集中，容易產生變形和破壞；在支護剛度和強度足夠時，圍巖軟化時機對變形趨勢影響不大，但對變形值大小有影響，圍巖軟化越早，變形值越大，如圖5所示；在V級圍巖條件下，由于圍巖強度低，初支對變形控制有明顯效果，但位移曲線無收斂趨勢，不能保證長時間的隧道安全，二襯需作承載結構考慮，施工時應嚴密進行監控量測，及時施作支護。

(a)工況1位移監測點時程曲線

(b)工況2位移監測點時程曲線

(c)工況3位移監測點時程曲線

(d)工況4位移監測點時程曲線

(e)工況5位移監測點時程曲線

(f)工況6位移監測點時程曲線圖3 各工況位移曲線(單位：m)

圖4 工況6臺階開挖錨桿支護后洞周剪應力云圖(單位：Pa)

圖5 各工況下拱頂沉降、底板隆起對比

3.2 圍巖塑性區影響分析

選取各工況圍巖塑性區圖進行分析，各工況塑性區圖見圖6，各工況塑性區面積見圖7。最終塑性區圖像均呈蝴蝶狀，表現為塑性區分布于隧道橫向兩側，自拱腰和墻腳向圍巖中延伸較遠，拱墻延伸較近，拱頂和底板最近；絕大多數發生塑性屈服的單元均為剪切破壞，只有在洞周拱頂、拱腰區域有少部分單元發生受拉破壞；塑性區圍巖弱化時刻越早，塑性區范圍也越大，不發生弱化最小，塑性區面積值極差在300 m2左右，向拱頂兩側延伸最明顯。

圖6 各工況塑性區

圖7 各工況塑性區面積(單位：m2)

塑性區呈蝴蝶狀，是由于兩側拱腰和墻腳存在較大的剪應力，如圖4所示，可以推斷這些區域的支護結構也處于較大的應力狀態；拱頂附近存在受拉塑性區，在未進行支護時洞周發生掉塊的可能性很大。

3.3 襯砌安全性評價

3.3.1 主應力影響分析

提取各工況二襯最大主應力和最小主應力圖對襯砌安全性進行評價，如圖8所示，圖中僅展示了工況1、工況3、工況5中二襯最大和最小主應力圖?？梢钥闯觯撼r2外，各工況均無受拉區域，相對于其他區域，兩側拱腰和墻腳屬于高應力區域；弱化起始時刻發生在二襯施做之前(工況1～工況4)，最大壓應力逐漸減小，但發生在二襯施做之后則增大，如圖9所示。

圖8 各工況二襯最大、最小主應力云圖(單位：Pa)

圖9 二襯最小主應力最值

各工況中墻腳均主要是受壓，且相對于其他區域屬于高應力區域，在支護截面設計時應加以重視和加強，如使用大墻腳復合式襯砌設計；二襯主應力圖兩側拱腰和拱腳應力較高與圍巖塑性區的蝴蝶型分布是一致。

工況1～工況4二襯最大壓主應力逐漸降低而工況5又升高可以理解為：當圍巖弱化起始時刻發生在二襯施做之前時，弱化時刻越早二襯施做時洞周變形量越大，塑性區擴展也越大，則應力釋放更多而圍巖的自承能力更小，所以二襯承擔的就更多，壓應力也更大；圍巖弱化起始時刻發生在二襯施做之后，前期變形較1至工況4工況少，圍巖應力釋放少，且由于二襯剛度相對圍巖大得多，圍巖弱化后二襯直接參與到應力的重分布中，二襯也將承擔更多，這兩項因素導致了二襯較大的壓應力。

3.3.2 內力影響分析

設置如圖10所示7個測點，提取每處測點過兩單元體中心點(二襯采用兩層實體單元模擬)連線且法向沿二襯橫截面軸線切線的彎矩、剪力和軸力，并采用破損階段法計算安全系數，結果見表3。

圖10 二襯內力提取測點

由表3可以得出：圍巖軟化時機對二襯內力分布特征影響不大，各工況內力和安全系數分布規律大致相同；拱頂彎曲應力表現為內側受拉，仰拱彎曲應力表現為外側受拉；軸力均表現為壓應力；安全系數均為靠近側墻下側(或墻腳)處較小，向拱頂和仰拱逐漸增大，仰拱比拱頂大。

表3 二襯各測點內力及安全系數

圖11 各工況最小安全系數

圖11為各工況最小安全系數，表4為最小安全系數發生的位置，可以發現除工況1外各工況最小安全系數均發生在墻腳位置，且均大于按破損階段法驗算截面強度的安全系數限值3.6；在二襯施做之前，圍巖軟化時機越晚，安全系數越大，但圍巖軟化發生在二襯之后，安全系數又會減小。

4 結論

本文針對破碎泥質圍巖在地下水作用下易產生較為明顯的強度損失導致隧道較大變形的問題，通過數值模擬，對圍巖軟化時機與隧道結構力學性能的關聯性進行了研究，主要對比了不同軟化時機條件下隧道結構體系位移場、塑性區

表4 各工況最小安全系數

形態及面積、二襯應力及內力分布，有如下幾點啟示:

(1)在支護剛度和強度足夠時，圍巖遇水軟化時機對洞周變形趨勢影響不大，但對其量值有影響，圍巖遇水軟化越早，變形值越大。

(2)圍巖遇水軟化時機對支護結構內力分布特征影響不大，墻腳往往是控制截面，對二襯安全系數有影響。

(3)在支護剛度和強度足夠時，圍巖遇水軟化時機對塑性區分布特征影響不大，但對進入塑性區的圍巖面積有影響，圍巖遇水軟化時機越早塑性區面積越大，且向拱頂兩側延伸最明顯。

(4)V級圍巖條件強度低，初支雖對洞周變形有明顯控制效果，但有明顯不收斂趨勢，不能保證長時間的隧道安全，二襯需作承載結構考慮。