高地應(yīng)力區(qū)隧道開挖圍巖變形與應(yīng)力研究

作者簡(jiǎn)介：梁 夏（1987—），工程師，研究方向：橋梁與隧道工程。

摘要：高地應(yīng)力條件下隧道開挖時(shí)圍巖變形與應(yīng)力分布特點(diǎn)與常規(guī)認(rèn)知有較大差異，給隧道設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。為此，文章采用數(shù)值分析方法，基于實(shí)際工程圍巖性態(tài)特點(diǎn)，系統(tǒng)性地研究了圍巖初始地應(yīng)力狀態(tài)與圍巖等級(jí)對(duì)隧道開挖的影響。研究發(fā)現(xiàn)：隨著圍巖初始地應(yīng)力的增加，圍巖變形與應(yīng)力快速增加，因此即使是同一種圍巖，地應(yīng)力上升時(shí)仍需要相應(yīng)提高支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；隨著圍巖等級(jí)的增加，圍巖變形快速增加，圍巖應(yīng)力稍有減小，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇時(shí)考慮的最重要影響因素除了圍巖等級(jí)外，初始地應(yīng)力狀態(tài)非常重要。

關(guān)鍵詞：隧道開挖；高地應(yīng)力；初始地應(yīng)力；圍巖等級(jí)；圍巖變形；圍巖應(yīng)力；支護(hù)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U456.3⁺1

0 引言

隨著我國(guó)隧道建設(shè)向著西部高山地區(qū)推進(jìn)，越來(lái)越多隧道呈現(xiàn)出“大埋深、大斷面、地質(zhì)極其復(fù)雜”等特點(diǎn)，深部圍巖變形與應(yīng)力分布難以預(yù)測(cè)與判斷，給隧道設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

目前關(guān)于高地應(yīng)力區(qū)隧道的研究大多在軟巖大變形與硬巖巖爆方面，對(duì)前者研究集中在大變形分級(jí)與支護(hù)方案優(yōu)化上，對(duì)后者研究集中在巖爆機(jī)理與防護(hù)措施改良上。劉志春等^[1]以烏鞘嶺隧道為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論分析結(jié)果，提出了以圍巖相對(duì)變形、強(qiáng)度應(yīng)力比、地應(yīng)力強(qiáng)度等為指標(biāo)的軟巖大變形綜合判定方法。武建廣等^[2]結(jié)合多條隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)板巖大變形特點(diǎn)與施工變更方案，對(duì)實(shí)際圍巖分級(jí)進(jìn)行修正，對(duì)支護(hù)參數(shù)適應(yīng)性進(jìn)行分析。劉宇鵬等^[3]采用理論分析的方法，建立錨桿長(zhǎng)、短聯(lián)合支護(hù)模型，論證了聯(lián)合支護(hù)方法對(duì)于控制圍巖變形與塑性區(qū)分布的有效性。田青峰等^[4]以數(shù)值分析方法分析了高地應(yīng)力下水平成層巖體在構(gòu)造應(yīng)力與開挖卸荷影響下彈性應(yīng)變能的變化特點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)掌子面巖爆概率進(jìn)行預(yù)測(cè)。賈蓬等^[5]采用RFPA^3D軟件模擬真三軸加卸載試驗(yàn)，對(duì)不同高度與傾角巖體在加卸載作用下的破壞機(jī)理與特征進(jìn)行分析，得到了巖體破壞的影響因素。唐杰靈等^[6]研發(fā)了適用于巖爆防治的柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值分析結(jié)果對(duì)防護(hù)網(wǎng)效果進(jìn)行分析，對(duì)材料選擇進(jìn)行優(yōu)化。

本文采用數(shù)值分析方法，結(jié)合某深埋隧道的圍巖與地應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)不同地應(yīng)力水平與圍巖等級(jí)下隧道開挖引起的圍巖變形與應(yīng)力分布進(jìn)行深入分析，以期為類似隧道設(shè)計(jì)、支護(hù)方案與施工優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

某隧道位于甘肅省，長(zhǎng)20 050 m，最大埋深1 030 m，主要為砂質(zhì)板巖，構(gòu)造應(yīng)力較為明顯，施工過(guò)程中多次出現(xiàn)軟巖大變形導(dǎo)致的噴射混凝土開裂、鋼拱架扭曲等現(xiàn)象，施工過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)較大，進(jìn)行了多次設(shè)計(jì)變更，最終確定了臺(tái)階法施工與長(zhǎng)、短錨桿（8 m+4 m）聯(lián)合加固方法，并根據(jù)變形等級(jí)對(duì)支護(hù)厚度與層數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。

2 數(shù)值分析

為了分析隧道地應(yīng)力水平與圍巖等級(jí)對(duì)圍巖變形與應(yīng)力的影響，建立二維地層-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值分析。

2.1 參數(shù)選取

依據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，選定不同等級(jí)的圍巖力學(xué)特性參數(shù)如表1所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表2所示。根據(jù)高地應(yīng)力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，選定不同初始地應(yīng)力水平如表3所示，對(duì)應(yīng)選定隧道埋深分別約為250 m、500 m、750 m、1 000 m，計(jì)算工況如下頁(yè)表4所示。

2.2 模型的建立

建立的模型尺寸為X×Y=100 m×80 m，隧道開挖及支護(hù)斷面凈寬為12.2 m，凈高為9.8 m，X軸為水平方向，Y軸為豎直方向（重力方向）。在模型的左右兩側(cè)與前后兩側(cè)施加水平約束，底部施加豎直約束，上邊界不加約束，定義為自由面，上部施加均布荷載，等效埋深。圍巖遵循摩爾-庫(kù)侖屈服條件，其余材料如襯砌與錨桿均采用線彈性材料。采用臺(tái)階法施工，在隧道四周采用加密網(wǎng)格，施工簡(jiǎn)化為七步：（1）開挖上臺(tái)階；（2）施作上臺(tái)階初支與錨桿；（3）開挖下臺(tái)階；（4）施作下臺(tái)階初支與錨桿；（5）施作仰拱填充；（6）施作二襯。整體模型與隧道支護(hù)細(xì)部模型見圖1。

2.3 計(jì)算結(jié)果

不同隧道埋深時(shí)圍巖水平變形與豎直變形如圖2與圖3所示。由圖2～3可知，隨著隧道埋深的增加，圍巖變形分布狀態(tài)變化不大；變形數(shù)值有所增加，但增加幅度逐漸減小。當(dāng)隧道埋深為250 m、500 m、750 m、1 000 m時(shí)，最大水平變形分別為5.7 mm、10.5 mm、15.4 mm、20.3 mm，最大拱頂沉降為29 mm、54.5 mm、80.1 mm、105.6 mm，最大拱底隆起為25.2 mm、46.6 mm、67.9 mm、89.3 mm。

不同隧道埋深時(shí)圍巖水平應(yīng)力與豎直應(yīng)力的變化如圖4與下頁(yè)圖5所示。由圖4、圖5可知，隨著隧道埋深的增加，圍巖應(yīng)力向著隧道拱圈附近集中，埋深越大越明顯；且隨著埋深增加，圍巖應(yīng)力增加，但增加幅度逐漸減小；最大水平應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂，最大豎直應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰，拱底有較小的拉應(yīng)力但數(shù)值變化不大。當(dāng)隧道埋深為250 m、500 m、750 m、1 000 m時(shí)，最大水平應(yīng)力分別為5.1 MPa、9.5 MPa、13.8 MPa、18.2 MPa，最大豎直應(yīng)力分別為12.7 MPa、23.7 MPa、34.7 MPa、45.7 MPa。

不同工況時(shí)，圍巖變形與應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如下頁(yè)表5所示。由表5可知，相同圍巖參數(shù)時(shí)，隨著隧道埋深的增加，圍巖變形與應(yīng)力均增加，增加幅度逐漸減小；相同隧道埋深時(shí)，隨著圍巖等級(jí)增加（圍巖變差），圍巖最大變形減小，應(yīng)力稍有增加。相比圍巖等級(jí)，隧道埋深對(duì)圍巖變形與應(yīng)力影響更大，因此隨著隧道埋深增加，對(duì)應(yīng)地應(yīng)力等級(jí)發(fā)生變化時(shí)，圍巖大變形等級(jí)會(huì)提升，即使對(duì)同一種圍巖，支護(hù)結(jié)構(gòu)仍需要加強(qiáng)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某深埋高地應(yīng)力隧道，采用數(shù)值分析方法進(jìn)行了隧道埋深與圍巖等級(jí)的雙影響因素計(jì)算，得到以下主要結(jié)論：

（1）相同圍巖等級(jí)時(shí)，隨著隧道埋深的增加，圍巖變形與應(yīng)力增加，增加幅度逐漸減小，拱頂沉降稍大于拱底隆起。

（2）相同隧道埋深（地應(yīng)力水平時(shí)），隨著圍巖等級(jí)增加（圍巖變差），圍巖變形減小，應(yīng)力增加，變形減小程度較大，應(yīng)力增加程度較小。

（3）相比圍巖等級(jí)，隧道埋深對(duì)圍巖變形與應(yīng)力影響更大，當(dāng)對(duì)應(yīng)的地應(yīng)力水平等級(jí)增加，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)相應(yīng)加強(qiáng)。

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