高地應力軟巖隧道變形特征分析

劉曉飛 耿 楠 秦政

（1.山西鐵道職業技術學院交通工程系，山西 太原 030013；2.山西金信清潔引導投資有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

我國西北地區山脈眾多，地形起伏錯綜復雜，且地質條件較差。在穿山越嶺的隧道施工過程中，面臨著裂隙水難阻斷、地下水突涌、巖體變形、襯砌結構破壞變形等問題，給現場施工人員、項目機械設備和經濟投資帶來了重重挑戰[1-2]。針對這些問題，學者進行了相關研究。

郭小龍等[3]基于成蘭鐵路楊家坪隧道開挖后的變形與應力重分布特征，并結合數值模擬過程，揭示該隧道兼具高地應力、陡傾層狀以及軟弱圍巖等特點下的圍巖變形破壞規律與機理。丁遠振等[4]根據柿子園隧道在穿越斷層帶時，支護結構發生的破壞現象，實地監測鋼架應力、圍巖壓力以及變形量等，發現構造應力的復雜性導致隧道結構與支護結構與隧道中軸線存在較大的差異性。李磊等[5]以成蘭鐵路茂縣隧道現場取樣，并以現場測試巖石試驗結果為基礎，分析茂縣隧道擠壓性軟弱圍巖的變形特征。其中，拱頂錨桿與圍巖形成壓縮體，共同承擔受壓作用。圍巖釋壓過程中產生顯著的裂隙擴容現象，導致自身與支護結構產生應力集中以及后續的破壞現象。

本文針對西部某高地應力作用下的軟巖隧道在現場施工中出現的圍巖大變形、變形侵限以及支護結構扭曲破壞等嚴重工程問題，通過數值模擬方法，對隧道不同監測位置處的圍巖變形特征進行分析。為后續確定有利于現場控制圍巖變形、安全施工的改進開挖工法提供一定的理論技術指導。

1 工程背景

該隧道為銀蘭高速全線工程的控制性節點，隧道的設計車速v=80km/h，內斷面凈寬10.05m，凈高為4.8m；隧道左、右線長度分別為5018m、4927m，隧道部分區段最大埋深達到537m。根據工程巖體相關規范，可判斷隧址區存在高地應力作用。

由于圍巖易破碎分散，隧道開挖擾動使得其易形成拱頂空腔的不穩定部位；同時，部分導管受到圍巖累計變形的加壓作用，變形呈彎曲狀，不能有效發揮對圍巖的預支護作用。現場的預支護結構破壞、塌落成空腔。

2 數值模型建立與分析

以隧道洞室為中心，確定模型尺寸：橫向為70m，豎向為80m，縱向為40m。隧道整體計算模型如圖1所示。同時對模型左右邊界、前后邊界施加約束，分別限制邊界面的水平位移、縱向位移；底部邊界限制X、Y、Z方向的自由度。

圖1 隧道整體計算模型

隧道開挖采用三臺階開挖工法，設置高地應力軟巖為彈塑性模型，采用莫爾-庫倫屈服準則，錨桿、初支、二襯等支護結構設置為彈性特性，開挖工法如圖2所示。

圖2 隧道三臺階開挖

隧道主要由強風化砂巖與炭質板巖構成，砂巖厚度為10～20m，板巖厚度為28～40m，圍巖級別為V級，圍巖參數如表1所示。

表1 圍巖參數

初期支護與二次襯砌均由C30噴射混凝土組成，厚度分別為45cm、65cm。各支護結構參數如表2所示。

表2 支護結構參數

圍巖地層在自然狀態下可視為均勻彈塑體，將摩爾庫倫準則作為其屈服條件。開挖貫通后穩定狀態下的圍巖主應力如圖3所示。

圖3 穩定狀態下的圍巖主應力

由圖3可知，通過隧道開挖過程分析圍巖變形情況，將添加地應力后的圍巖位移與變形速率設置為0；并在各開挖步的計算過程中，設置15000步的應力釋放時間，以達到工程實際的開挖效應。隧道開挖完成后，初始圍巖最大主應力由最初的0.89MPa升至1.46MPa，拱頂與仰拱部位應力狀態從最初的受壓轉變為受拉，最大拉應力出現在仰拱部位，最大壓應力出現在兩側拱腰位置，存在一定的應力集中。

3 高地應力隧道變形特征數值分析

高地應力軟巖隧道由于受應力作用以及巖體自身嚴重的流塑性特征，使隧道現場施工過程中圍巖產生不穩定大變形，對施工造成嚴重破壞與干擾。故在數值模擬計算分析時，重點研究隧道拱頂、拱肩、拱腰等部位處不同距離范圍內圍巖的變形情況。

考慮到模型開挖步距與劃分網格的適應性，設置開挖步距為5m。以10m以及40m處圍巖為監測斷面進行變形監測，不同斷面的變形云圖如圖4所示。

圖4 不同斷面隧道拱頂沉降與水平收斂（單位：m）

由圖 4可知，隧道開挖后不可避免地會對周圍巖體造成擾動，拱頂沉降相對于拱底隆起而言，要更加迅速，且影響范圍更大。在水平方向的收斂變形方面，隧道圍巖變形呈“蝴蝶型”分布；拱肩與拱腳部位的變形相對拱腰更加突出。變形趨勢關于豎向隧道軸線呈對稱分布，但隧道左側整體向隧道凈空方向發生收斂變形。隧道洞室的開挖使圍巖產生較大的臨空面，軟巖向著臨空面產生擠壓變形，進而使隧道拱頂和仰拱處受到拉應力最大，拱腰處次之，從而造成隧洞周邊圍巖向洞內方向收斂變形。

隨著施工階段的進行，巖體各不同位置處的變形值也發生不同的變化，最大沉降與水平收斂分別為30.73cm與14.71cm。隧洞在開挖過程中，隧洞拱腰、拱頂、仰拱及掌子面處的位移變形最為劇烈，尤其是拱腰處的巖體變形值大且圍巖松動范圍廣，說明高地應力軟巖隧道拱腰處為危險位置。在施工過程應對隧洞拱腰處作超前預支護與加強支護，拱腰處的最大變形值發生在隧洞輪廓處，隧洞隨著第一階段上臺階的開挖，圍巖不同位置的水平向與豎直向都發生了不同程度的變形?？梢钥闯鰢鷰r的水平變形范圍更大，并且變形值也比豎直向大。從圍巖變形豎向云圖中可以看出豎直變形主要集中在隧道輪廓附近，變化值比水平變形要小，隨著后面施工階段的完成，隧洞拱腰處圍巖的變形逐漸減小，在隧洞內部圍巖輪廓處的變形比進洞時要小，圍巖松動范圍的擴展速率也在減慢，隧洞周圍的圍巖在支護結構的作用下慢慢地形成了固結圈，這對圍巖的變形有一定的抑制作用。其次在隧洞開挖過程中掌子面處的變形較大，對隧洞掌子面也應作超前加固，以防止隧洞在開挖過程中掌子面由于巖體壓力過大，發生巖爆或崩坍等隧道施工性的病害，對施工機械和技術人員造成經濟損失。隧洞在下階段上臺階開挖中，巖體掌子面的變形最大，最大值為20.4cm，從隧洞開挖過程中可以看到拱頂的位移變化也較大，因此在實際施工過程中對隧洞拱頂處也要作超前加固和加強支護。通過圍巖變形云圖可以看出隧洞仰拱處的豎向變形位移也較大，在實際工程中也不得不重視。仰拱處的水平向圍巖變形值較小，豎直向圍巖變形隨著開挖階段的進行呈增大趨勢，直到隧洞進洞后第五施工階段完成后，仰拱變形保持穩定，變形減小，其最大變形值為28cm。

4 結束語

（1）隧道開挖后圍巖的主應力狀態相比于初始狀態下的主應力，存在一定提升；拱頂和仰拱處圍巖由原來的受壓狀態變為受拉狀態，仰拱部位拉應力相對更大；在拱腰與拱腳中間部位圍巖存在應力集中現象，施工中要特別注意這些位置的應力突變。

（2）高地應力軟巖隧道的水平收斂變形關于隧道豎向軸軸線對稱，最大值為14.71cm，發生在左拱肩部位；沉降最大值為30.73cm，發生在拱頂部位；最大隆起變形為25.82cm，發生在拱底部位。且不同監測斷面變形與掌子面距離的大小緊密相關。