深埋軟巖隧道圍巖變形及穩定性數值模擬研究

摘" 要：為解決復雜地質與復雜環境下大埋深軟巖隧道的圍巖穩定性與支護結構安全性問題。[A1]"首先結合深埋軟巖隧道地質情況查明地應力分布，再以初步支護設計為參考，采用有限元軟件建立深埋軟巖隧道開挖和支護模型，查明圍巖荷載的變化情況和開挖收斂變形規律，分析軟巖大變形段拱頂、拱底豎向沉降，以及圍巖應力、系統錨桿軸力變化，以此對初期支護方案的力學特性和應用效果進行評價。

關鍵詞：高速公路 "軟巖隧道 "支護設計 "圍巖承載

中圖分類號：U45

Numerical Simulation Study of on Deformation and Stability of Surrounding Rock in Deep Buried Soft Rock Tunnel

CHENG "Yang "JI Guofeng

Anhui Cconstruction Engineeringand Wwater Resources conservancy Ddevelopment Investment Group Co.， LTDLtd， ，Bengbu， Anhui Province， 233010 China

Abstract： In orderIt aims to solve the stability of surrounding rock and supporting structure safety of large buried deep buried soft rock tunnel underin complex geologicaly and environmental conditionscomplex environment.. Firstly， based onby combining the geological conditions of deep buried soft rock tunnels， the distribution of geostress is determined， and then usingwith the preliminary support design as reference， the finite element software is used to establish the excavation and support model of the deep buried soft rock tunnel， to investigate the changes inthe change of the surrounding rock load， and excavation convergence deformation lawsthe surrounding rock stress.， The vertical settlement of the arch top and bottom in the large deformation section of the soft rock， as well as the changes in surrounding rock stress and system anchor rod axial force are analyzedso as to evaluate the mechanical characteristics and application effect of the initial support scheme.

Key Wwords： Highway; Ssoft rock tunnel; Supporting design; Surrounding rock bearing capacity

我國西部地區深埋軟巖隧道往往賦存于復雜高地應力、高地質災害風險、復雜地質構造區域以及強烈的地形切割環境下^[1-4]。除此之外，它們往往還具有一個重要的共同特性，那就是穿越的地層巖性力學性質差、自穩能力與自承載能力低、黏土礦物成分高、遇水易軟化泥化以及流變力學行為顯著等特性。并且隧道施工開挖進入深部地層后，受高地質構造應力場與高自重應力場聯合作用，圍巖-支護結構相互作用機理變得極為復雜，還面臨高水壓、斷層破碎帶、層狀巖體、圍巖流變、支護結構劣化等因素的復合作用，從而使以擠壓性軟巖大變形、巖爆動力災害、涌水突泥、支護結構開裂等為代表的災害問題相當普遍，這給山區深埋軟巖隧道的施工與設計帶來了巨大的困難^[5-8]。以我國典型大埋深高地應力軟巖隧道為工程背景，通過現場測試結合數值模擬等手段，對高地應力軟巖隧道的圍巖變形破壞機理、支護結構力學性能演化規律進行了深入研究。

1" 工程地質概況及支護方案

西部地區受構造作用影響，褶皺斷裂發育，地質構造十分復雜。同隧道最大埋深628 m，深埋區分布有碳質板巖、古近系砂泥巖，均為軟質巖石，受構造作用影響，發育有斷層、褶皺、巖層角度不整合接觸帶及節理密集帶，地質構造十分復雜。伴隨斷層破碎帶較寬，在出口區域可能出現滑坡、不穩定斜坡等地質災害。

采用水壓致裂法準確掌握隧道區地應力分布特征，深埋軟巖隧道工程區以水平構造應力為主，最大水平主應力值為8.82～13.3 Pa，最小水平主應力值為6.42～10.7 M[A2]"Pa，最大水平主應力與垂直應力的平均比值為1.3，最小水平主應力與垂直應力比值受埋深控制，隧道深埋段表現為σH＞σV＞σh，水平主應力場方向以西北—[A3]"東南向擠壓為主，最大水平主應力方向為N80°E，如圖1所示。

深埋軟巖隧道洞身支護總體方案采用初期支護和二次襯砌相結合的復合式襯砌，即以錨桿、濕噴混凝土、格柵鋼架、型鋼鋼架等為初期支護，模筑混凝土為二次襯砌。對于Ⅲ級圍巖的初期支護，由噴射混凝土、徑向錨桿、鋼筋網組成。對于Ⅴ、Ⅳ級圍巖的初期支護，采用噴射混凝土、徑向錨桿、鋼筋網及格柵鋼架或工字鋼鋼架組成；在Ⅴ級、Ⅳ級圍巖段鋼架采用鎖腳錨桿進行加固；鋼架之間用縱向鋼筋連接，徑向錨桿與鋼拱架相間布置，并與鋼筋網焊為一體，與圍巖密貼，形成承載結構。

2" 模型建立

本章采用MIDAS進行隧道建模處理，并規定Y軸方向為隧道走向，掌子面沿Y軸負方向推進，X軸方向為垂直隧道走向。隧道馬蹄形斷面開挖凈空11.2 m，高8.85 mm，在部分軟弱地層強支護區段開挖凈空高度為9.25 m。根據圣維南原理，為了更好地模擬實際工程中隧道與圍巖土體間的相互作用范圍，降低模型邊界對隧道模型的影響，一般隧道中心線距模型邊界取3～[A5]"5倍的洞徑長度，隧道底距模型底部邊界取3倍隧道凈空高度以上的長度。本章選取毛羽山隧道Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖段落進行模擬，每個模型尺寸為120 m（X軸方向）×120 m（Z軸方向）×100 m（Y軸方向），為保證模擬結果更加精確，每層圍巖視作均質材料。考慮計算效率，劃分網格采用六面體+四面體混合單元，向隧道中心逐漸加密。隧道開挖模型處于整個模型的正中位置，如圖2所示。

3" 結果分析

3.1" 變形分析

隧道開挖引起的圍巖變形主要以拱頂沉降和拱底[A6]"隆起為主，隨著開挖步的推進，圍巖豎向位移逐漸增大并最終趨于穩定，且受巖性影響，破碎圍巖段落的位移值顯著大于巖性較好的隧道段落。具體而言，最大拱頂沉降位移位于圍巖破碎帶一側，量值達到12.7 cm，最大拱底隆起位于圍巖破碎帶區域的隧道始發洞口，量值達到11.2 cm，如圖3所示。

隧道掘進過程中，頂部沉降與底部隆起的位移量在掌子面通過該處時并不會完全釋放，而是在以后的一段時間內持續發展，并且各部位在掌子面通過時的瞬時釋放量并不相同，施作支護后拱頂位移的瞬時釋放量相對拱底更大，發展更快；這要求在實際的工程實踐中，應當在掌子面通過后，即時施作仰拱支護，保障支護結構的整體性，并持續監測支護的位移發展情況。同時，注意到洞周各點的瞬時變形釋放率與圍巖質量可能存在一定聯系，圍巖質量等級越低，瞬時變形釋放率越大，這一點將在后續其他區段的分析結果中得到進一步印證。

3.2" 圍巖應力分析

整體而言，隧道洞周圍巖大部分區域最大主應力仍以負值受壓為主，但在區段1的構造裂隙周圍及隧道沿線拱底部位，在開挖支護結束后仍出現了廣泛的拉主應力破壞區。隧道貫通后，最大主應力峰值位于隧道始發洞口左側拱腳處，量值為11.97 MPa；拉主應力破壞區出現在距始發洞口53m處的洞頂及距始發洞口20[A8]"～80 m范圍內的洞底。考慮到巖體受拉強度有限，這再次要求應對拱底及時施作仰拱及二次支護，進一步控制拱圈變形，同時應適當加強構造裂隙兩側過渡區域內的圍巖支護系統。

受支護施作工序的影響，洞周圍巖各監測點位的主應力均出現了先減小、后增大、再減小、又增大的多次循環加—卸載趨勢。以距洞口60 m處的拱頂為例，當掌子面掘進至該點位前的一個施工步時，最大壓主應力從初始的9.13 MPa，經多次循環加卸載后降低至7.80 MPa；開挖至該監測斷面時，瞬間增大至13.1 MPa；在下一個施工步中，隨著初支施作完成后，該點最大主應力又顯著降低至0.93 MPa；最終隨著掌子面的繼續推進穩定在3.53 MPa左右。

圍巖應力達到平衡狀態時，變形也基本已經穩定，應力演化趨勢與變形演化趨勢一致。對比初始狀態，相同監測斷面的不同位置應力集中趨勢存在較大差異。具體而言，隧道沿線的圍巖應力隨著掌子面的推進發生了重分布，拱頂與拱底圍巖應力以卸荷為主，穩定時的應力僅為原巖應力的10%～[A9]"50%，甚至部分區段卸載至拉主應力破壞區。而左右拱腳的圍巖呈應力集中，穩定時的應力最高可達原巖應力的120%。

3.3" 錨桿支護分析

錨桿軸力均處于受拉狀態，拱頂處軸力最大，拱肩次之，拱腳處軸力最小。隨著掌子面的推進，錨桿應力受地層影響十分顯著，軟弱層中的錨桿受力更大。隧道貫通時，位于巖體破碎區域的錨桿峰值軸向拉應力最大，達到219.3 MPa，位于巖性較好的巖體，錨桿峰值軸向拉應力為110.8 MPa。為保證隧道施工安全，針對軟弱圍巖大變形段落應針對性采取措施進行支護設計施工。

4" 結論

（1）隧道工程區以水平構造應力為主，主應力量值呈現出σHgt;σVgt;σh的規律，隧道軸線位置最大水平主應力量值大部分在 16～[A10]"20 MPa，最大水平主應力與最小水平主應力的量值差距較大。

（2）隧道開挖引起的圍巖變形主要以拱頂沉降和拱底隆起為主，并且最終變形量與巖體性質相關，巖體質量等級越高，巖性越好，最終變形量越小。受支護施作工序的影響，掌子面通過監測點位前后，各監測點位的壓主應力均出現了先減小、后增大、再減小、又增大的多次循環加—卸載現象。對比初始狀態，隧道沿線的圍巖應力隨著掌子面的推進發生了重分布，圍巖壓應力向拱腳部位集中。

（3）深埋軟巖隧道圍巖破碎、節理裂隙發育，在進行支護設計時應針對圍巖變形特征針對性采取支護方案，為類似隧道支護提供借鑒。

參考文獻

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