高地应力软岩隧道大变形的控制技术探讨

陈德云 吴亚磊

(1.温州信达交通工程试验检测有限公司，浙江 温州 325000； 2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064)



高地应力软岩隧道大变形的控制技术探讨

陈德云1吴亚磊2

(1.温州信达交通工程试验检测有限公司，浙江 温州 325000； 2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

为解决高地应力条件下软弱围岩大变形造成的断面缩小、基角下沉等破坏问题，分析了隧道内软弱围岩的受力情况，并建立了数值分析模型，对两种不同的开挖方法进行了模拟分析，以探索出更好的控制高地应力软岩隧道变形的措施。

高地应力，软弱围岩，变形，数值模拟

根据国内外隧道施工的实践总结[1-4]，在一定高地应力条件下的软弱围岩，在施工过程中发生大变形现象，是必然的。目前对于围岩大变形的控制研究主要集中于地质情况较差地段的施工工艺和支护方法上[5-9]。对于围岩大变形比较轻微的情况，可以在一定程度上增大支护体的刚度或者强度，增大隧道预留的变形位移，同时及时地施工二衬以承担荷载，这样可以达到预防和控制围岩大变形的发生与发展[10-13]。然而，现行的隧道设计和施工规范对大变形问题基本还没有行之有效的处理方法，因此在此方面有待研究的问题很多。本文通过相应的数值模拟对高地应力条件下的软弱围岩大变形进行了研究，通过行之有效的防治措施可以减少大变形的发生，避免不必要的经济损失。

1 高地应力条件下软岩大变形隧道工程概况

木寨岭铁路隧道地处青藏高原东边缘，全长1 710 m，行车道9 m，属高寒阴湿地带，地处震区中心，碳质板岩随时导致瓦斯外泄，大断面破碎带交叉分布，地质条件不好的地段较多，其对工程产生的影响较大，该地段还属于高地应力区，围岩的变形发生较大的变化，因此该地质条件使得工程施工难度加大。隧道经过地层Ⅴ级围岩占60%以上，极高地应力达27.16 kPa，造成围岩变形达到1 780 mm，自稳能力极差。因为该地区的地质条件非常复杂，而且使得施工难度加大，因此决定建立相应对的方案，并建立动态设计小组，根据该地段围岩所处的级别、地质条件和施工后发生的相应变形情况对前期的支护措施及时的进行相应调整，从而避免施工中特大灾害的发生，避免不必要的经济损失，使施工过程更加安全高效。木寨岭隧道所处的高地应力主要是以构造应力为主的高地应力，隧道围岩变形量最大处的埋深大约为120 m，因此隧道内所受的应力主要以水平应力为主，并且以水平收敛为主要收敛。根据相应的监控量测的数据表明，隧道断面上各方向的净空位移均十分显著，且主要变形为水平收敛，变形速率快且持续时间长，变形分布不均匀、不对称。初期支护采用的Ⅰ12型钢拱架，且为直墙结构，支护刚度较低不利于水平大变形控制，隧道拱部下沉量为500 mm～1 100 mm，变形速率30 mm/d～35 mm/d，轨道标高以上1.5 m处边墙水平变形量达600 mm～1 000 mm。二次衬砌施工后，发生混凝土衬砌开裂、大变形破坏现象，大约35 m长 的范围内的初期支护所用的工字型钢拱架几乎全部发生扭曲变形，并且在拱顶两侧容易产生剪力处的钢支撑在剪力大的部分处发生断裂现象，因此拱部相应的产生下沉，下沉量大约在170 mm，边墙处水平的收敛量大约在210 mm～710 mm内。

2 隧道内软弱围岩处相应的受力情况

通对该隧道的围岩级别、地形地貌特征及影响情况、围岩相应组成等的考虑，以及对隧道初期支护情况的了解和相应变形而产生的破坏特征的分析，确定该隧道围岩所具有特征为高地应力软弱岩层型和节理特征软弱岩层型相结合的复合型围岩，简称具有高地应力节理化软岩复合型特征。把隧道围岩的力学变形类型表示为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ五个类型。其中Ⅰ表示重力变形，Ⅱ表示偏应力变形，Ⅲ表示软弱围岩斜交变形，Ⅳ表示围岩软弱层斜交变形，Ⅴ表示围岩节理斜交变形。

根据该隧道高地应力和软弱岩层相结合的力学变形的探讨，可得出该隧道难支护主要原因是其力学机理复杂多样，从而得出该地区的围岩的力学变形并不是单一的力学变形情况，而是多种力学变形相结合起来的复杂型力学变形情况。因此，该高地应力软弱围岩隧道的支护必须考虑复杂的地质情况和相对应的各种力学变形的特性，把该地区不良地质情况综合的考虑起来，并对所得出的结果进行分析，然后再对隧道采取相对应的支护。

3 数值模拟分析和相应试验验证结果

3.1 先小径距导坑后向四周扩挖法与三台阶开挖法的数值模拟分析

3.1.1 计算模型与参数

该模型选用FLAC3D作为数值模拟工具。根据相对应的圣维南原理，所选取的单洞跨度为10 m，其埋深约350 m，考虑该方法相应计算的可靠性，模型所选取的范围为120 m×120 m×50 m(X×Y×Z)，其中X(-60，60)方向为与隧道轴线垂直的水平方向，Y(-60，60)方向为与隧道轴线垂直方向的竖直方向，Z(0，-50)方向为隧道轴向相对应的开挖方向。隧道模型的仰拱及拱脚采用固定式约束，隧道模型顶部对其围岩施加等效的荷载。根据现场的实际测量的地应力，其地应力在水平方向取σ1=16 MPa，σ3=9 MPa，竖直方向(按350 m埋深)σ2=9 MPa，初始地应力按最大主应力方向与隧道轴线夹角α=15°，隧道模型拱顶模拟上覆岩体的重力荷载，限制其两侧面的位移量，隧道模型底面固定。采用Mohr-Coulomb破坏准则，计算模型力学参数(见表1)，围岩支护参数采取等量化计算后选取。

表1 计算模型力学参数

3.1.2 数值模拟结果与分析

由隧道拱顶和边墙监测点位移变化曲线可知(见图1):采用先小导坑后向四周分别扩挖断面的方法，拱顶和边墙相应的监测点产生的最大位移值分别为276 mm和266 mm；而采用三台阶式全断面开挖的方法，拱顶和边墙相对应的监测点产生的最大位移量分别为495 mm和479 mm。所以可得出相应的结果，采用三台阶式开挖方法时产生的位移量明显大于先导坑后向四周分别扩挖断面的方法，说明导坑式向四周扩挖法能更好的控制隧道围岩的变形情况。

3.2 导坑式向外扩挖法与三台阶式开挖法的现场试验对比

现场监测数据表明，在没有进行二次衬砌支护情形下，采用先导坑后向四周扩挖的方法进行施工，隧道初期支护后，该隧道的围岩的收敛速率在前5天内为8 mm/d～22 mm/d，但是在今后的时间内隧道的围岩收敛速率就降低至8 mm/d以下，在初期支护的条件下，隧道围岩的最终相应的累计收敛值在240 mm～360 mm内。采用三台阶式开挖方法时，该隧道的位移速率大，而且其最终累计相应的收敛值高达750 mm～850 mm。并且根据上面得到的相应数据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，可见，采用前者的新型开挖方法进行施工，其释放出的围岩变形压力非常显著，因此该新型开挖方法可提高隧道的二次衬砌的安全系数，并且能够产生非常乐观的技术经济效益。图2为现场某一断面初期支护的边墙实测位移变化曲线，由图2可见，采用新型的开挖方法施工所引起的围岩变形量明显小于三台阶式开挖方法，因此此实验可验证数值模拟分析所得出的结果。

4 结语

该论文把复杂地质情况与现代力学相结合起来解决相对应的复杂围岩的力学变形情况，把该复杂的力学情况应用到高地应力条件下软弱围岩的隧道中，从而提出相应方法并解决其变形较

大的情况。

通过对木寨岭隧道围岩所采用的初期支护的形式和隧道大变形所产生的破坏情形的相应调研与分析，利用软岩工程力学原理中的相应理论，可以将木寨岭隧道围岩的力学变形确定为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ五个类型。并且把其组合成复杂的力学变形机理。使其复杂情形向单一化转化，从而能更好的对复杂的地质情形进行数值模拟。采用FLAC3D对高地应力软弱围岩隧道进行数值模拟分析，并把两种不同的开挖模拟方法所得到的变形结果进行相对应的对比分析，然后根据得出的结果对所采用的新的开挖方法进行相应的优化，最后并通过现场试验验证了其数值模拟所得出的相应结果。通过采用先柔性后刚性的支护措施和先释放相应的应力再对其进行阻止的支护技术，成功解决了该类隧道(高地应力下软弱围岩变形较大的隧道)难以支护的问题，对相应类似工程的施工有借鉴和指导作用。

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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

陈德云(1974- )，男，硕士，工程师； 吴亚磊(1990- )，男，在读硕士

U456.3

A