陳德云 吳亞磊

(1.溫州信達(dá)交通工程試驗檢測有限公司，浙江 溫州 325000； 2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

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高地應(yīng)力軟巖隧道大變形的控制技術(shù)探討

陳德云1吳亞磊2

(1.溫州信達(dá)交通工程試驗檢測有限公司，浙江 溫州 325000； 2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

為解決高地應(yīng)力條件下軟弱圍巖大變形造成的斷面縮小、基角下沉等破壞問題，分析了隧道內(nèi)軟弱圍巖的受力情況，并建立了數(shù)值分析模型，對兩種不同的開挖方法進(jìn)行了模擬分析，以探索出更好的控制高地應(yīng)力軟巖隧道變形的措施。

高地應(yīng)力，軟弱圍巖，變形，數(shù)值模擬

根據(jù)國內(nèi)外隧道施工的實踐總結(jié)[1-4]，在一定高地應(yīng)力條件下的軟弱圍巖，在施工過程中發(fā)生大變形現(xiàn)象，是必然的。目前對于圍巖大變形的控制研究主要集中于地質(zhì)情況較差地段的施工工藝和支護(hù)方法上[5-9]。對于圍巖大變形比較輕微的情況，可以在一定程度上增大支護(hù)體的剛度或者強(qiáng)度，增大隧道預(yù)留的變形位移，同時及時地施工二襯以承擔(dān)荷載，這樣可以達(dá)到預(yù)防和控制圍巖大變形的發(fā)生與發(fā)展[10-13]。然而，現(xiàn)行的隧道設(shè)計和施工規(guī)范對大變形問題基本還沒有行之有效的處理方法，因此在此方面有待研究的問題很多。本文通過相應(yīng)的數(shù)值模擬對高地應(yīng)力條件下的軟弱圍巖大變形進(jìn)行了研究，通過行之有效的防治措施可以減少大變形的發(fā)生，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

1 高地應(yīng)力條件下軟巖大變形隧道工程概況

木寨嶺鐵路隧道地處青藏高原東邊緣，全長1 710 m，行車道9 m，屬高寒陰濕地帶，地處震區(qū)中心，碳質(zhì)板巖隨時導(dǎo)致瓦斯外泄，大斷面破碎帶交叉分布，地質(zhì)條件不好的地段較多，其對工程產(chǎn)生的影響較大，該地段還屬于高地應(yīng)力區(qū)，圍巖的變形發(fā)生較大的變化，因此該地質(zhì)條件使得工程施工難度加大。隧道經(jīng)過地層Ⅴ級圍巖占60%以上，極高地應(yīng)力達(dá)27.16 kPa，造成圍巖變形達(dá)到1 780 mm，自穩(wěn)能力極差。因為該地區(qū)的地質(zhì)條件非常復(fù)雜，而且使得施工難度加大，因此決定建立相應(yīng)對的方案，并建立動態(tài)設(shè)計小組，根據(jù)該地段圍巖所處的級別、地質(zhì)條件和施工后發(fā)生的相應(yīng)變形情況對前期的支護(hù)措施及時的進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，從而避免施工中特大災(zāi)害的發(fā)生，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失，使施工過程更加安全高效。木寨嶺隧道所處的高地應(yīng)力主要是以構(gòu)造應(yīng)力為主的高地應(yīng)力，隧道圍巖變形量最大處的埋深大約為120 m，因此隧道內(nèi)所受的應(yīng)力主要以水平應(yīng)力為主，并且以水平收斂為主要收斂。根據(jù)相應(yīng)的監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)表明，隧道斷面上各方向的凈空位移均十分顯著，且主要變形為水平收斂，變形速率快且持續(xù)時間長，變形分布不均勻、不對稱。初期支護(hù)采用的Ⅰ12型鋼拱架，且為直墻結(jié)構(gòu)，支護(hù)剛度較低不利于水平大變形控制，隧道拱部下沉量為500 mm～1 100 mm，變形速率30 mm/d～35 mm/d，軌道標(biāo)高以上1.5 m處邊墻水平變形量達(dá)600 mm～1 000 mm。二次襯砌施工后，發(fā)生混凝土襯砌開裂、大變形破壞現(xiàn)象，大約35 m長 的范圍內(nèi)的初期支護(hù)所用的工字型鋼拱架幾乎全部發(fā)生扭曲變形，并且在拱頂兩側(cè)容易產(chǎn)生剪力處的鋼支撐在剪力大的部分處發(fā)生斷裂現(xiàn)象，因此拱部相應(yīng)的產(chǎn)生下沉，下沉量大約在170 mm，邊墻處水平的收斂量大約在210 mm～710 mm內(nèi)。

2 隧道內(nèi)軟弱圍巖處相應(yīng)的受力情況

通對該隧道的圍巖級別、地形地貌特征及影響情況、圍巖相應(yīng)組成等的考慮，以及對隧道初期支護(hù)情況的了解和相應(yīng)變形而產(chǎn)生的破壞特征的分析，確定該隧道圍巖所具有特征為高地應(yīng)力軟弱巖層型和節(jié)理特征軟弱巖層型相結(jié)合的復(fù)合型圍巖，簡稱具有高地應(yīng)力節(jié)理化軟巖復(fù)合型特征。把隧道圍巖的力學(xué)變形類型表示為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ五個類型。其中Ⅰ表示重力變形，Ⅱ表示偏應(yīng)力變形，Ⅲ表示軟弱圍巖斜交變形，Ⅳ表示圍巖軟弱層斜交變形，Ⅴ表示圍巖節(jié)理斜交變形。

根據(jù)該隧道高地應(yīng)力和軟弱巖層相結(jié)合的力學(xué)變形的探討，可得出該隧道難支護(hù)主要原因是其力學(xué)機(jī)理復(fù)雜多樣，從而得出該地區(qū)的圍巖的力學(xué)變形并不是單一的力學(xué)變形情況，而是多種力學(xué)變形相結(jié)合起來的復(fù)雜型力學(xué)變形情況。因此，該高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道的支護(hù)必須考慮復(fù)雜的地質(zhì)情況和相對應(yīng)的各種力學(xué)變形的特性，把該地區(qū)不良地質(zhì)情況綜合的考慮起來，并對所得出的結(jié)果進(jìn)行分析，然后再對隧道采取相對應(yīng)的支護(hù)。

3 數(shù)值模擬分析和相應(yīng)試驗驗證結(jié)果

3.1 先小徑距導(dǎo)坑后向四周擴(kuò)挖法與三臺階開挖法的數(shù)值模擬分析

3.1.1 計算模型與參數(shù)

該模型選用FLAC3D作為數(shù)值模擬工具。根據(jù)相對應(yīng)的圣維南原理，所選取的單洞跨度為10 m，其埋深約350 m，考慮該方法相應(yīng)計算的可靠性，模型所選取的范圍為120 m×120 m×50 m(X×Y×Z)，其中X(-60，60)方向為與隧道軸線垂直的水平方向，Y(-60，60)方向為與隧道軸線垂直方向的豎直方向，Z(0，-50)方向為隧道軸向相對應(yīng)的開挖方向。隧道模型的仰拱及拱腳采用固定式約束，隧道模型頂部對其圍巖施加等效的荷載。根據(jù)現(xiàn)場的實際測量的地應(yīng)力，其地應(yīng)力在水平方向取σ1=16 MPa，σ3=9 MPa，豎直方向(按350 m埋深)σ2=9 MPa，初始地應(yīng)力按最大主應(yīng)力方向與隧道軸線夾角α=15°，隧道模型拱頂模擬上覆巖體的重力荷載，限制其兩側(cè)面的位移量，隧道模型底面固定。采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，計算模型力學(xué)參數(shù)(見表1)，圍巖支護(hù)參數(shù)采取等量化計算后選取。

表1 計算模型力學(xué)參數(shù)

3.1.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

由隧道拱頂和邊墻監(jiān)測點位移變化曲線可知(見圖1):采用先小導(dǎo)坑后向四周分別擴(kuò)挖斷面的方法，拱頂和邊墻相應(yīng)的監(jiān)測點產(chǎn)生的最大位移值分別為276 mm和266 mm；而采用三臺階式全斷面開挖的方法，拱頂和邊墻相對應(yīng)的監(jiān)測點產(chǎn)生的最大位移量分別為495 mm和479 mm。所以可得出相應(yīng)的結(jié)果，采用三臺階式開挖方法時產(chǎn)生的位移量明顯大于先導(dǎo)坑后向四周分別擴(kuò)挖斷面的方法，說明導(dǎo)坑式向四周擴(kuò)挖法能更好的控制隧道圍巖的變形情況。

3.2 導(dǎo)坑式向外擴(kuò)挖法與三臺階式開挖法的現(xiàn)場試驗對比

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在沒有進(jìn)行二次襯砌支護(hù)情形下，采用先導(dǎo)坑后向四周擴(kuò)挖的方法進(jìn)行施工，隧道初期支護(hù)后，該隧道的圍巖的收斂速率在前5天內(nèi)為8 mm/d～22 mm/d，但是在今后的時間內(nèi)隧道的圍巖收斂速率就降低至8 mm/d以下，在初期支護(hù)的條件下，隧道圍巖的最終相應(yīng)的累計收斂值在240 mm～360 mm內(nèi)。采用三臺階式開挖方法時，該隧道的位移速率大，而且其最終累計相應(yīng)的收斂值高達(dá)750 mm～850 mm。并且根據(jù)上面得到的相應(yīng)數(shù)據(jù)可得出其位移速率大大的高于前者所使用的新型施工方法，可見，采用前者的新型開挖方法進(jìn)行施工，其釋放出的圍巖變形壓力非常顯著，因此該新型開挖方法可提高隧道的二次襯砌的安全系數(shù)，并且能夠產(chǎn)生非常樂觀的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。圖2為現(xiàn)場某一斷面初期支護(hù)的邊墻實測位移變化曲線，由圖2可見，采用新型的開挖方法施工所引起的圍巖變形量明顯小于三臺階式開挖方法，因此此實驗可驗證數(shù)值模擬分析所得出的結(jié)果。

4 結(jié)語

該論文把復(fù)雜地質(zhì)情況與現(xiàn)代力學(xué)相結(jié)合起來解決相對應(yīng)的復(fù)雜圍巖的力學(xué)變形情況，把該復(fù)雜的力學(xué)情況應(yīng)用到高地應(yīng)力條件下軟弱圍巖的隧道中，從而提出相應(yīng)方法并解決其變形較

大的情況。

通過對木寨嶺隧道圍巖所采用的初期支護(hù)的形式和隧道大變形所產(chǎn)生的破壞情形的相應(yīng)調(diào)研與分析，利用軟巖工程力學(xué)原理中的相應(yīng)理論，可以將木寨嶺隧道圍巖的力學(xué)變形確定為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ五個類型。并且把其組合成復(fù)雜的力學(xué)變形機(jī)理。使其復(fù)雜情形向單一化轉(zhuǎn)化，從而能更好的對復(fù)雜的地質(zhì)情形進(jìn)行數(shù)值模擬。采用FLAC3D對高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并把兩種不同的開挖模擬方法所得到的變形結(jié)果進(jìn)行相對應(yīng)的對比分析，然后根據(jù)得出的結(jié)果對所采用的新的開挖方法進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，最后并通過現(xiàn)場試驗驗證了其數(shù)值模擬所得出的相應(yīng)結(jié)果。通過采用先柔性后剛性的支護(hù)措施和先釋放相應(yīng)的應(yīng)力再對其進(jìn)行阻止的支護(hù)技術(shù)，成功解決了該類隧道(高地應(yīng)力下軟弱圍巖變形較大的隧道)難以支護(hù)的問題，對相應(yīng)類似工程的施工有借鑒和指導(dǎo)作用。

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Research on the control technology of large deformation of soft rock tunnel with high ground stress

Chen Deyun1Wu Yalei2

(1.WenzhouXindaTrafficEngineeringTestDetectionLimitedCompany,Wenzhou325000,China;2.HighwayCollege,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

In order to solve the shrinking section, angle base subsidence and other damage problems caused by weak surrounding rock mass deformation under high ground stress conditions, this paper analyzed the force conditions of soft and weak surrounding rock in tunnel, and established the numerical analysis model, to simulate and analyze two different excavation methods, to explore measures to better control the high ground stress weak surrounding rock tunnel deformation.

high ground stress, soft surrounding rock, deformation, numerical simulation

1009-6825(2016)22-0167-02

2016-05-23

陳德云(1974- )，男，碩士，工程師； 吳亞磊(1990- )，男，在讀碩士

U456.3

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