隧道周邊圍巖軟化對結構安全影響研究

【摘要】隧道與地下工程迅速發展，隧道病害越來越多，其中軟巖隧道建設運營中開裂滲水等病害現象日益嚴重，碳質板 巖、千枚巖等巖層在施工過程中周邊圍巖遇水軟化現象以及隧道仰拱底部施工軟化虛渣不清理軟化現象普遍存在。峨眉至漢源高速公路某隧道建設中出現二襯開裂，經過鉆孔發現周邊圍巖以及隧底存在軟弱虛渣，對隧道周邊圍巖軟化以及隧底軟化虛渣進行數值模擬計算，發現隧道周邊圍巖軟化現象會大幅度降低結構安全系數降低，施工中應積極采取相關注漿等加固圍巖措施，一是提高圍巖強度，二是提高圍巖與支護結構之間粘結力。研究結論對以后類似工程具有一定借鑒及指導意義。

【關鍵詞】隧道； 圍巖軟化； 仰拱； 虛渣； 結構； 安全影響

【中圖分類號】U451+.2A

0 引言

隨著我國經濟的發展和地面空間有限，隧道與地下工程迅速發展，地質條件、地下水、施工質量問題均會導致隧道病害越來越多，其中軟巖隧道建設運營中開裂滲水等病害現象日益嚴重，碳質板巖、千枚巖等巖層在施工過程中周邊圍巖遇水軟化現象以及隧道仰拱底部施工軟化虛渣不清理現象普遍存在。峨眉至漢源高速公路某隧道建設中出現二襯開裂，經過鉆孔發現周邊圍巖以及隧底存在圍巖軟化以及虛渣軟化現象，本文對隧道周邊圍巖軟化以及隧底軟化虛渣進行數值模擬計算，發現隧道周邊圍巖軟化現象會大幅度降低結構安全系數降低，施工中應積極采取相關注漿等加固圍巖措施，一是提高圍巖強度，二是提高圍巖與支護結構之間黏結力。目前國內對變質巖（千枚巖、碳質板巖）等進行了大量研究［1-5］，但是對其隧道圍巖軟化及隧底軟化虛渣研究極少，本文通過數值模擬對隧底軟化進行定量研究，具有一定指導和參考意義。

1 工程概況

峨眉至漢源高速公路某隧道長3.6 km，隧道以板巖、砂質板巖、炭質板巖為主，隧道主要受金口河擠壓破碎帶影響，該破碎帶從隧道北西側700 m左右通過，與隧道近平行，該破碎帶中主要為炭質板巖，巖體極破碎，炭質板巖千枚理化嚴重，巖體在臨空陡壁附近的自穩能力差，巖體中地下水發育，該破碎帶對本隧道圍巖影響大。 隧道圍巖巖層產狀變化較頻繁，斷裂破碎帶巖體較破碎—破碎，局部段落極破碎，非斷裂區域巖體較完整，進口段巖層優勢產狀為150°∠82°～160°∠60°，其后傾向由150°逐漸轉為80°，出口段優勢產狀80°∠60°。巖體中主要發育兩組節理，L1：15～85°∠57～85°，延伸3～5 m，切深3～5 m，間距1～1.5 m，閉合，面較平；L2：215～285°∠63～88°，局部有反傾現象，延伸3～8 m，切深3～5 m，局部8～10 m，間距0.3～0.8 m，一般閉合，臨空面微張，面較平。隧址區巖體受結構面切割，以碎塊狀為主，局部大塊狀。 二次襯砌開裂出現在隧道進口段400 m范圍，主要原因為： （1）為軟質巖，千枚狀—板狀構造，傾角較陡，隧道軸線與巖層走向小角度相交；（2）受構造影響，層間擠壓錯動形成碎粉巖，層間結合差，節理裂隙發育，巖體破碎—極破碎，見圖1物探斷面以及圖2地質斷面，進口段500 m范圍為低阻段，地質極為破碎；（3）隧道開挖后，由于地應力的釋放、豐富地下水對隧道周邊碎粉巖的軟化以及圍巖荷載加大是該隧道開裂的主要原因。關于該隧道開裂處治進行了專項研究，本文僅針對隧道周邊圍巖軟化以及仰拱底部軟化虛渣對隧道結構安全影響進行研究分析（圖3、圖4）。

2 數值模擬計算簡介

本文采用控制變量的方法，針對兩車道公路山嶺隧道，選取常規的鋼筋混凝土V級圍巖及襯砌（Z5）以及常規的IV級圍巖素混凝土為基準組，建立荷載-結構法計算模型，其中圍巖荷載的計算和分擔比、巖土體及襯砌參數的選取均參照JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規范第一冊土建工程》及GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》（2015年版）的相關要求。所有計算過程均由基于通用有限元程序ANSYS和面向對象設計語言.net開發的“隧道全自動結構計算軟件V2.0” ［6］自動完成。針對襯砌的安全系數進行計算，采用規范以及田志宇等［6-10］在相關文獻中推導的計算公式，本文不作贅述。

2.1 圍巖荷載

圍巖荷載按淺埋非偏壓隧道進行計算，V級圍巖初期支護承擔35%的總荷載，二次襯砌承擔65%的總荷載。IV級圍巖初期支護承擔70%的總荷載，二次襯砌承擔30%的總荷載（表1）。

2.2 結構參數

（1）結構設計參數（表2）。

（2）材料參數。本文以V級圍巖下的鋼筋混凝土襯砌結構進行計算，所涉及的材料主要為巖土及支護結構（混凝土、鋼筋），其中二次襯砌混凝土采用C30，噴混凝土均采用C25。材料參數見表3和表4。

3 隧底軟化虛渣對結構安全影響計算分析

3.1 V級圍巖（鋼筋混凝土結構）隧底虛渣軟化圍巖荷載對結構安全影響計算分析

數值模擬中通過調整隧底彈性抗力系數模擬隧底虛渣，見圖5～圖9，虛渣越軟弱，彈性抗力系數越小，模擬中虛渣從圍巖彈性彈力系數取180～60 MPa/m進行模擬研究，結果見表5及圖10。

根據對常規V級隧道鋼筋結構的計算，Z5鋼筋混凝土拱頂軸力較小、彎矩較大，安全系數為4.28，裂縫出現在拱頂，最大裂縫為0.10 mm。

通過計算結果并結合圖10分析可知：（1）隧道仰拱底部軟化反映了襯砌背后接觸的松散程度。彈性抗力系數減小時，對結構軸力有所減小，但是由于結構受到的圍巖約束減弱，導致彎矩增大，結構安全系數降低；（2）襯砌拱腳部位安全系數較拱頂處略大，當圍巖彈性抗力系數由180 MPa/m降低至60 MPa/m時，拱頂安全系數從4.28減小到3.28，結構安全系數降低了24%左右，可見隧底虛渣軟化對結構安全性影響大，施工中應嚴格清除控制隧底虛渣。

3.2 IV級圍巖（素混凝土結構）隧底虛渣軟化圍巖荷載對結構安全影響計算分析

根據對常規IV級隧道結構（素混凝土）的計算，Z4素混凝土半結構安全系數為4.60，裂縫出現在拱頂，最大裂縫為0.16 mm。數值模擬對IV級圍巖仰拱彈性抗力系數從400～100 MPa/m進行模擬研究，計算結果見表6及圖11。

通過計算結果并結合圖11可知：當圍巖彈性抗力系數由400 MPa/m降低至100 MPa/m時，隧道軸力略有減小，彎矩略有增加，拱頂安全系數從4.60減小到4.10，結構安全系數降低了11%左右，可見隧底虛渣軟化對結構安全性有一定影響，由于IV級圍巖二次襯砌只承擔30%的荷載，結構承受荷載很小，虛渣在較好圍巖，荷載較小情況下，相對影響較小。

4 隧道周邊圍巖軟化對結構安全影響

圍巖軟化主要在V級較差圍巖中發生，本文僅對V級圍巖周邊圍巖軟化工況進行模擬計算。根據規范V級圍巖彈性彈力系數取100～200 MPa/m，圍巖級別越差，彈性抗力系數越小。施工襯砌背后接觸松散可通過減小彈性抗力系數進行模擬，文章中對彈力抗性系數從50～200 MPa/m進行模擬研究， 結果見表7、圖12、圖13。

通過計算結果并結合圖12、圖13分析可知：（1）彈性抗力系數反應了襯砌背后接觸的軟化程度。彈性抗力系數減小時，對結構軸力影響不大，但是由于結構受到的圍巖約束減弱，導致彎矩增大，結構安全系數降低；（2）襯砌拱腳部位安全系數較拱頂處略大，當圍巖彈性抗力系數由200 MPa/m降低至50 MPa/m時，拱頂安全系數從5.0減小到1.9，拱腳安全系數由5.3降低到2.5，均降低了50%～60%，可見襯砌背后接觸松散對結構安全性影響極大；（3）當圍巖彈性抗力系數由200 MPa/m降低至50 MPa/m時，拱頂裂縫從0.08 mm增大到0.47 mm，當彈性抗力系數減小到75 MPa/m后，拱腳位置也開始出現裂縫；（4）圍巖越差，背后空洞或者接觸松散越容易形成，可見對于地質極差或者背后噴砼不密實形成松散圈需要進行注漿加固等處理措施，確保結構和巖層緊貼密實。

5 結束語

通過研究，可以得出如下結論：

（1）隧道周邊圍巖軟化對結構影響：不良地質段“支護-圍巖”接觸不良通常成為病害事故的主要誘因之一，同時也是較難控制的，當圍巖彈性抗力系數由200 MPa/m降低至50 MPa/m時，拱頂安全系數從5.0減小到1.9，拱腳安全系數由5.3降低到2.5，均降低了50%～60%左右，裂縫從0.08 mm增大到0.47 mm，可見襯砌圍巖軟化（松弛接觸不佳）對結構安全性影響極大。可見對于遇水軟化圍巖應進行注漿加固等處理措施，確保結構和巖層緊貼密實，形成良好的“支護-圍巖”良好的接觸狀態。

（2）隧底虛渣軟化對結構影響：對遇水軟化隧底巖體以及隧底虛渣軟化未清理干凈等影響，通過對V級鋼筋混凝土結構數值模擬分析，隧底虛渣軟化對結構安全系數可降低約24%；IV級素混凝土混凝土結構分析，由于IV級圍巖二襯受力較小，隧底虛渣軟化對結構安全系數可降低相對較小約11%，虛渣在較好圍巖，荷載較小情況下，相對影響較小。

該后期隧道開裂通過裂縫注漿加固、基底注漿、背后圍巖注漿以及樹根樁等綜合措施處治，本文不作贅述。

本文主要對公路兩車道V級及IV級圍巖結構進行計算，具有一定片面性，特殊地質及地應力情況下宜特殊研究分析。該文研究具有一定的指導意義，施工中應加強軟弱坡圍巖或軟化圍巖注漿加固以及隧底虛渣清理或加固措施，通過施工措施增加支護與結構的粘結性及整體性，形成共同受力體，確保隧道結構安全。

參考文獻

［1］ 關寶樹，趙勇. 軟弱圍巖隧道施工技術［M］. 北京：人民交通出版社，2011：1-22.

［2］ 趙勇. 隧道軟弱圍巖變形機制與控制技術研究［D］. 北京： 北京交通大學， 2012.

［3］ 周藝，何川，汪波，等. 基于支護參數優化的強震區軟巖隧道變形控制技術研究［J］. 巖土力學，2013.

［4］ 施玉晶. 軟巖大變形小凈距隧道支護結構研究［D］.蘭州：蘭州交通大學，2014.

［5］ 沙鵬，伍法權，李響，等. 高地應力條件下層狀地層隧道圍巖擠壓變形與支護受力特征［J］. 巖土力學，2015，36（5）：1407-1414.

［6］ 向龍，田志宇，王俊，等. 隧道施工因素對襯砌結構安全性影響評價研究［J］.施工技術.2021.11.

［7］ 田志宇，林國進，丁堯，等. 隧道全自動結構計算軟件SDC的研發與應用［J］. 現代隧道技術，2014（2）：30-34.

［8］ 田志宇，李海清，鐘勇. 巖溶隧道處治方案的支護參數選取［J］.現代隧道技術，2011（5）：82-86.

［9］ 田志宇，鄧承波，林國進. 隧道塌方處治支護參數選取［J］.鐵道建筑. 2012（6）：54-57.

［10］ 田志宇，鄭金龍. 隧道穿越錯落體的設計與施工經驗總結［J］.現代隧道技術. 2013（4）：152-157.