极高地应力千枚岩隧道施工围岩的变形与控制

全 民，唐 灵，赵 亢

(1.中国中铁隧道集团一处有限公司，重庆401121； 2.西南交通大学，四川成都610031)

隧道在克服地形障碍、缩短空间距离及改善交通等方面具有不可替代的作用。近年来，随着我国综合国力的不断增强，基础建设的力度在不断加大，隧道的修建进入了一个新的高峰，尤其在我国的西南地区。随着修建隧道数量的逐步增多，软弱围岩区段隧道大变形灾害问题逐渐为岩土工作者所关注，其问题主要表现为：变形侵限、初支喷层开裂掉块、钢架扭曲、拱脚失稳、底板隆起，甚至局部区段发生坍塌或二衬开裂现象，不仅严重影响了施工安全和施工质量，同时也对建设工期和投资造成不利影响[1]。软弱围岩隧道的开挖方法及支护措施是影响围岩在开挖后的应力调整和变形的主要因素，本文以谷竹高速关垭子隧道大变形为实例，利用大型有限差法软件FLAC3D对控制软弱围岩隧道大变形常用的几种方法进行了数值模拟分析，同时结合现场监控量测对不同方法进行了效果评价，在此基础上提出了合理的开挖方法及支护参数，从而确保关垭子隧道在施工和运营中的安全，并为今后类似的工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

关垭子隧道位于湖北省十堰市竹溪县蒋家堰镇，隧道洞轴线走向方位角起点274°、止点285°，全长1 628 m，隧道最大埋深约170 m，左右洞净距约25～32 m，隧道净宽：10.25 m，隧道净高：5.0 m。隧道区属于竹溪褶皱束，所涉及的地层主要为志留系。隧道进出洞口岩层为单斜地层，岩性为绢云母千枚岩，绢云母含量在90 %以上，夹杂部分石英。该岩由泥岩浅变质而来，泥质已全变为绢云母。绢云母呈长纤维状，定向—平行—紧密排列。成岩后有不均一状揉皱。石英填于绢云母不均一揉皱产生的空隙中。

开挖后围岩实际揭示情况为强～中风化碳质片岩，风化及岩石破碎程度随里程变化无明显规律且变换频繁。岩石呈薄层状，层间结合较差，表面有滑腻感，遇水软化膨胀，开挖后无自稳能力，且岩石暴露后强度衰减很快，具有明显的软岩持续变形特点施工中揭露的围岩如图1所示。

图1 施工中揭露的围岩

据岩石力学特性试验结果显示，关垭子隧道围岩单轴饱和抗压强度Rc为5.74 MPa，最大主应力在4.52～5.29 MPa，最小主应力在3.08～4.15 MPa之间取值。《工程岩体分级标准》(GB 50218-94)及《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)对岩石坚硬程度给出了定性的划分，如表1所示。《工程岩体分级标准》(GB 50218-94)对岩体初始应力场进行了评估，如表2所示。

表1 Rc与岩石坚硬程度定性划分表

表2 高初始应力地区在开挖过程中的主要现象

2 软弱围岩大变形控制技术

2.1 软弱围岩常用的施工方法

国内目前对于软弱围岩隧道的常用施工方法有台阶法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CD法、CRD法等。关垭子隧道按照设计采用了三台阶法及CRD法，但由于这有两种工法实际效果并不理想，因此在数值模拟中增加了双侧壁导坑法用以对比分析。各工法优缺点对比如表3所示。

表3 各工法优缺点对比

2.2 各工法数值模拟分析

该隧道设计采用三台阶法和CRD法开挖，初期支护参数为：26 cm厚C20喷射混凝土，I 20b钢拱架，纵向间距0.6 m。由于三台阶法及CRD法控制该隧道变形的效果并不理想，因此增加双侧壁导坑法的数值模拟。

建模时，围岩采用莫尔-库仑弹塑性模型。钢拱架和钢筋网按弹模换算的方法换算到喷射混凝土中，采用弹性体来模拟初期支护结构，通过其应力情况来判定其稳定性。

2.2.1 三台阶法

经计算得到隧道围岩的位移等值云图、围岩塑性区分布图、初期支护第一、第三主应力等值图，见图2～图5。

图2 围岩位移等值云图

图3 围岩塑性区分布示意

图4 第一主应力等值云图

图5 第三主应力等值云图

2.2.2 CRD法

经计算得到隧道围岩的位移等值云图、围岩塑性区分布图、初期支护第一、第三主应力等值图，见图6～图9。

图6 围岩位移等值云图

图7 围岩塑性区分布示意

图8 第一主应力等值云图

图9 第三主应力等值云图

2.2.3 双侧壁导坑法

经计算得到隧道围岩的位移等值云图、围岩塑性区分布图、初期支护第一、第三主应力等值图,见图10～图13。

图10 围岩位移等值云图

图11 围岩塑性区分布示意

图12 第一主应力等值云图

图13 第三主应力等值云图

通过数值模拟发现：采用三台阶法拱顶沉降29 cm，水平收敛16 cm，支护钢架应力260 MPa；改成CRD法后拱顶沉降17 cm，减小40 %，水平收敛20 cm，增大25 %，支护钢架应力230 MPa，减小10 %；采用双侧壁导坑法后，拱顶沉降8 cm，减小约75 %，水平收敛11 cm，减小约40 %，支护钢架应力147 MPa，减小约50 %；现场监控量测显示采用三台阶法时拱顶沉降39 cm，水平收敛45 cm，采用CRD法时拱顶沉降29 cm，水平收敛40 cm，相对来说监控量测数据要比对应的数值计算值偏大，这可能与支护施作时机有一定关系，在数值计算中无法有效的模拟。

数值计算结果显示CRD法在控制变形量及钢架应力上较三台阶法有一定的优势，但效果不明显，隧道仍处于大变形范围；采用双侧壁导坑法后，隧道的变形及钢架应力均得到明显的改善，隧道未发生大变形，钢架最大应力为124 MPa，远小于屈服极限，钢架仍处于弹性阶段，且塑性区范围较小。

4 结论

(1)关垭子隧道处于极高地应力软弱围岩区段，进行大断面隧道施工，极容易发生围岩大变形甚至塌方，必须引起密切关注。

(2)结合关垭子隧道工程的实际情况及数值模拟结果，提出改用双侧壁导坑法开挖代替原设计的三台阶法及CRD法，保证隧道施工过程中的安全。

[1] 关宝树.软弱围岩隧道变形及其控制技术[J].隧道建设，2011，31(1):1-17

[2] 姜云，李永林，李天斌，等.隧道工程大变形类型与机制研究[J].地质灾害与环境保护，2004，15(4):46-51

[3] 关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社，2003

[4] 关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民交通出版社,2011

[5] 朱永全，李文江，赵勇.软弱围岩隧道稳定性变形控制技术[M].北京：人民交通出版社,2012