超大断面公路隧道围岩变形及荷载释放率研究

赵然，李涛，袁哲，陈云娟

（1.山东高速集团有限公司 建设管理公司，山东 济南250000；2.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南250101）

0 引言

21世纪是地下空间开发和利用的时代，隧道作为地下空间利用的重要形式，在交通网络中发挥着越来越重要的作用［1-2］。截至2014年底，我国公路隧道总里程比2002年多了14.2倍，达到10756.7 km，平均增长速度为800 km／a。目前，中国已是世界上隧道工程建设规模最大、数量最多、修建速度最快的国家［3］。从实施可持续发展战略出发，越来越多的单洞三、四车道隧道应运而生，开启了国内超大断面、超大跨度公路隧道建设的序幕［4-5］。国内第一条双洞八车道超大断面隧道——深圳南坪雅宝隧道于2006年顺利贯通，随后，广州、深圳等发达城市也陆续开始修建双洞八车道超大断面隧道。此类隧道群多修建于山区，地质条件复杂，沿线存在破碎带、断层、溶洞等不良地质，建设环境问题突出，与双洞四车道和六车道隧道相比，双洞八车道隧道断面更大，其形状更扁平，而围岩和支护体系中应力集中情况更严重，隧道稳定性极差。

目前，对于超大断面隧道可借鉴的经验有限，缺乏系统的分析方法及配套技术。隧道开挖过程中，岩体的变形很大程度上受控于断层、裂隙等不连续面，裂隙密集带对隧道围岩稳定性的影响一直是国内外学者研究的重点［6-8］。跨度的增加极大地加剧了不连续面的扩展和隧道围岩的失稳概率，因此针对超大断面隧道开展裂隙围岩变形及稳定性分析显得尤为重要。文章将依托龙鼎双洞八车道公路隧道，研究半步CD法施工时裂隙围岩的变形规律，分析裂隙围岩的荷载释放演化规律，并基于此确定掌子面后方安全距离。

1 工程概况

济南绕城高速、京沪高速济南连接线工程在建的老虎山、大岭、浆水泉、龙鼎等双线八车道超大断面隧道群工程，属世界同等跨度最大规模的隧道群，也是山东省当前断面最大的隧道群，地处济南市区，浅埋偏压，城市环保、水土流失、绿色施工等要求较高，隧道群分布如图1所示。

图1 济南东（南）二环路延长线隧道群分布图

其中，龙鼎隧道位于鲁中南低山丘陵与鲁西北冲击平原的交接带上的中部丘陵地区，进口位于济南龙鼎大道以东520 m处，出口位于太平庄西北方向350 m处。隧道采用一级公路标准建设，同时兼具城市快速路功能，跨度为16.75 m。龙鼎隧道上覆薄层状灰岩、中风化、灰褐色、局部岩溶化，层厚＜6.0 m，岩质较软弱且软化性较强；两侧洞体围岩为中风化灰岩、貂皮状、中厚层状、青灰色，产状平缓，岩质较坚硬且软化性弱。岩体节理裂隙较发育，产状陡立，结构面结合差，岩体较破碎，碎裂块状结构。

龙鼎隧道K6+660～820区段有密集裂隙带穿越，沿节理裂隙灰岩岩溶化强烈，隧道穿越裂隙密集带时将面临较高的施工风险。因此，选取该区段为研究对象，并基于此展开对超大断面公路隧道裂隙围岩变形及荷载释放率方面的深入分析。龙鼎隧道K6+660～820区段纵剖面图如图2所示。

图2 隧道K6+660～820区段围岩轴向纵剖面图

2 裂隙密集带区段隧道模型建立

龙鼎隧道K6+660～820区段裂隙带围岩划分等级为Ⅳ级，物理力学参数以地质勘查结果为主，辅以经验修正［9-10］，见表 1。

表1 围岩工程地质参数表

结合工程施工，隧道区段K6+660～820采用半步CD法进行开挖，模拟过程主要分析隧道拱顶、两帮以及底板的变形规律，所以监测点主要布置在隧道拱顶、两帮以及底板位置，如图3所示。

根据所提供的隧道纵断面图，推测裂隙密集带的走向，龙鼎隧道K6+660～820区段采用有限元数值软件进行仿真模拟［11-13］，建立的计算模型如图4所示。

图3 龙鼎隧道监测点示意图

图4 龙鼎隧道K6+660～820区段全三维计算模型示意图

3 裂隙密集带对超大断面隧道围岩变形影响

为了分析裂隙密集带对围岩变形规律的影响，选取K6+660、K6+751及K6+810 3个断面进行分析，其中K6+751为裂隙主要穿越断面。隧道开挖衬砌前、衬砌后的3个断面围岩塑性区分布，如图5所示。

图5 龙鼎隧道围岩塑性区分布图

由图5可以看出，隧道开挖后，围岩塑性区总体较小。衬砌前，裂隙密集带区域围岩塑性区相对来说较大，尤其是右线隧道，受裂隙带的影响最为显著。衬砌支护后，隧道围岩塑性区有不同程度的减小，但整体来看，依旧是裂隙密集带区域右线隧道围岩塑性区范围最大。因此，从围岩塑性区的角度来看，裂隙密集带区域围岩的塑性区范围最大，整体稳定性要相对弱一些。

隧道开挖后，各断面围岩关键点位移值如图6所示。

图6 不同里程号对应断面隧道围岩关键点位移曲线图

由图6（a）可以看出，衬砌前，右线隧道拱顶出现最大位移25.5 mm，两帮围岩位移较小，在17 mm以内，左、右线隧道底板位移分析为 17.2和20.6 mm；衬砌后，隧道围岩位移有不同程度的减小，支护作用使围岩位移最大减小16.4%，发生在右线隧道拱顶，位移由25.5 mm减小到21.9 mm。采用半步CD法进行开挖时，隧道顶部围岩变形较大，同时出现底鼓现象。

由图6（b）可以看出，在裂隙密集区域，右线隧道围岩稳定性受裂隙带影响较为显著，位移有所增加。衬砌前，左、右线隧道拱顶位移分别为16.3和33.6 mm，底板位移分别为 14.7和 23.4 mm，左、右壁围岩位移最大为20.1 mm；衬砌后，左、右线隧道拱顶位移分别为14.6和22.9 mm，底板位移分别为12.8和 19.5 mm，左、右壁围岩位移最大值为16.7 mm。衬砌的支护作用使围岩位移最大减小46.7%，发生在右线隧道拱顶，位移由33.6 mm减小到22.9 mm。通过与图6的对比，可知裂隙密集带对右线隧道围岩稳定性有不可忽略的影响，应适当加强该区域的支护。

由图6（c）可以看出，随着与裂隙密集带的距离增加，隧道围岩的稳定性又有了一定程度的提高。衬砌前，隧道拱顶位移分别为16.4和20.1 mm，底板位移分别为15.8和16.9 mm，左、右壁围岩位移最大值为13.3 mm；衬砌后，隧道拱顶位移分别为13.3和 15.6 mm，底板位移分别为 12.3和11.9 mm，左、右壁围岩位移最大值为10.1 mm。支护作用使围岩位移最大减小28.8%，发生在右线隧道拱顶，位移由20.1 mm减小到15.6 mm。

综合分析图6（a）～（c）可知，裂隙密集带的存在，对超大断面公路右线隧道围岩稳定性有较显著的影响，衬砌支护一定程度上增强了围岩稳定性；龙鼎超大断面公路隧道此区段采用半步CD法施工，位移总体变形量可控，施工方法合理。

4 超大断面隧道围岩荷载释放率分析

半步CD法施工超大断面隧道围岩荷载释放过程中，将围岩应力采用数据归一化处理，消去应力的单位和方向，着重分析其数值上的变化［14-15］。将开挖结束后围岩释放的径向应力绝对值与开挖前应力值进行对比，研究荷载释放的空间演化规律，并基于此确定掌子面后方的安全距离。

随着龙鼎隧道半步CD法施工，取掌子面位置为K6+696，分析超大断面隧道开挖后距离掌子面各 20、10、5、4、3、2 m区域围岩监测点的平均荷载释放率，得到规律如图7所示。

由图7可以看出，当隧道开挖后，距离掌子面距离大于20 m时，围岩荷载完全释放，围岩应力状态稳定；距离掌子面10 m时，围岩荷载释放率达到97.1%，应力状态较为稳定；距离掌子面5 m时，围岩荷载释放率约为92.5%；距离掌子面4 m时，围岩荷载释放率约降为84.9%；而距离掌子面分别为3和2 m时，围岩荷载释放率仅分别约为45.5%和44.9%。因此，隧道开挖后距离掌子面＜5 m范围内，可视为危险区域，此时围岩荷载释放率较低，隧道围岩发生突发状况的几率较大；隧道开挖后距离掌子面＞5 m范围内，可视为相对安全区域，已经稳定的隧道围岩发生突变的几率大幅度降低。从这个角度考虑，可以认为对于Ⅳ级围岩隧道，掌子面后方的较安全距离最小为5 m，而安全距离则应＞10 m。

图7 隧道围岩荷载释放率空间演化规律示意图

5 结论

通过上述研究可知：

（1）超大断面公路隧道Ⅳ级围岩采用半步CD法施工，围岩位移在可控范围内，因此施工方案可行。

（2）裂隙密集带区域，超大断面隧道围岩的塑性区和位移都处于最大状态，远离裂隙密集带区域，隧道围岩的稳定性有所提高。衬砌的支护作用可以改善超大断面隧道围岩的稳定性，变形减少量最高可达 39.7%。

（3）对于Ⅳ级超大断面公路隧道围岩，隧道开挖后距离掌子面＜5 m范围内，可视为危险区域；5～10 m范围内，可视为相对安全区域；＞10 m可视为安全区域。

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