软弱围岩隧道变形特性及控制措施

祁宝贵

（中国国家铁路集团有限公司，北京 100844）

中国是世界上隧道工程规模大、数量多和施工难度大的国家［1］。围岩变形大、变形持续时间长、变形速率快等是软岩隧道施工的难点。樱井春辅［2］通过室内试验给出了隧道节理岩体单轴抗压强度与极限应变的关系。杨忠民等［3］揭示了隧道开挖埋深增大过程中位移和应力的变化规律。孙闯等［4］将收敛-约束法应用到高地应力软岩巷道支护中，分析了隧道软弱围岩与支护结构的变形破坏特征。胡波等［5］基于数值模拟方法提出了节理岩体参数的确定方法。张妍珺等［6］基于收敛-约束法采用有限差分法分析了围岩变形特征，并提出了变形曲线修正公式。

现阶段对软岩隧道大变形的支护措施及控制变形方法仍没有统一的标准，支护结构设计及围岩稳定性分析仍然是软岩隧道的难题。本文以赣深铁路广东段银瓶山隧道为工程背景，基于Hoek-Brown 屈服准则建立节理岩体应变软化模型，通过FLAC 3D 进行不同工况的数值计算，分析应变软化模型在隧道软弱围岩大变形分析中的适用性，并对支护结构设计进行优化。

1 节理岩体应变软化模型

1.1 Hoek-Brown屈服准则

Hoek 和 Brown 基于 Griffith 的脆性断裂理论，通过对室内岩石三轴试验及现场试验结果的统计分析，提出了Hoek-Brown 屈服准则，经过不断改进与修正，在2002 年提出将爆破损伤和应力释放对围岩强度的影响考虑进岩体扰动系数D（取值范围0～1）中，并对Hoek-Brown常数进行了修正。其表达式［7］为

式中：σ1，σ3分别为隧道围岩破坏时的最大、最小主应力；σc为完整岩块的单轴抗压强度；mb为Hoek-Brown常数mi（反映岩体软硬程度）的折算值；s，a均为岩体的Hoek-Brown常数。

式中，GSI为围岩地质强度指标。

1.2 基于Hoek-Brown屈服准则的应变软化模型

考虑岩体应变软化时，弹塑性屈服准则为

式中：σθ为围岩切向应力；σγ为围岩径向应力；η为岩体的应变软化系数。

简易应变软化模型曲线如图1 所示。当η=0时岩体处于弹性变形状态；当0＜η＜η*（η*为岩体弹性变形达到峰值后的软化系数）时岩体处于应变软化状态；当η＞η*时岩体处于残余变形状态。

在基于Hoek-Brown 屈服准则的应变软化模型中，假定mb和s随η线性衰减，则该应变软化模型可以转化为

图1 简易应变软化模型曲线

式中：mp，mr分别为围岩峰值地质强度指标、残余地质强度指标对应的Hoek-Brown参数。

2 软岩隧道围岩变形特性数值模拟分析

2.1 工程背景

银瓶山隧道位于广东省东莞市，全长9 813.37 m，隧道长度为9 695.37 m。Ⅱ级围岩段长5 120 m，占52.2%；Ⅲ级围岩段长3 370 m，占34.3%；Ⅳ级围岩段长920 m，占9.4%；Ⅴ级围岩段长285.37 m，占3%。其中，研究区段K32+240—K34+180 段隧道围岩为泥岩，地下水为构造裂隙水，富水性好，围岩稳定性差。围岩节理如图2所示，隧道断面尺寸如图3所示。

图2 银瓶山隧道软岩的节理

图3 隧道断面尺寸（单位：m）

2.2 参数的选取

根据对研究区段的勘测结果，围岩峰值地质强度指标（GSIp）取44，围岩残余地质强度指标（GSIr）取26，mi取8，计算得到围岩的力学参数，见表1。其中：E为隧道围岩的弹性模量；ν为围岩的泊松比；sp，sr分别为围岩峰值地质强度指标、残余地质强度指标对应的Hoek-Brown参数。

表1 围岩力学参数

初始支护结构采用系统锚杆（长2.2 m，间距×排距为1.0 m×1.0 m）+喷射混凝土（厚0.15 m）组合支护。支护结构参数根据文献［8］中公式计算得到，见表2。

表2 支护结构参数

2.3 模型的建立

数值计算模型见图4。初始地应力P为7.5 MPa，侧压力系数λ为0.6。模型由179 820 个单元组成。初期支护依据实际工程情况模拟，不考虑二次衬砌的作用。

图4 数值计算模型

2.4 计算结果分析

2.4.1 不同计算模型对分析结果的影响

分别采用基于Hoek-Brown 屈服准则的理想弹塑性模型和应变软化模型计算得到全断面开挖时围岩纵向变形曲线、围岩（支护）压力曲线，见图5。

图5 围岩纵向变形曲线、围岩（支护）压力曲线

由图5（a）可知：采用基于Hoek-Brown屈服准则的应变软化模型计算所得隧道软弱围岩变形量明显大于弹塑性模型的计算结果。

由图5（b）可知：隧道每循环开挖1.6 m 后施作初期支护时，弹塑性模型的围岩压力曲线与锚杆及混凝土的支护压力曲线的弹性部分相交，说明采用弹塑性模型分析时锚杆及混凝土的支护强度能满足要求；而应变软化模型的围岩压力曲线未与支护压力曲线的弹性部分相交，说明采用应变软化模型分析时锚杆及混凝土的支护强度不能满足要求。在实际工程中，软弱围岩具有明显的应变软化特征，所以在进行围岩稳定性分析时，采用应变软化模型更加符合实际情况。

2.4.2 隧道围岩-支护相互作用

隧道断面各监测点围岩位移随支护压力变化曲线见图6。可知：各监测点所需的支护压力并不相同，顶部和底部所需的支护压力要大于隧道肩部、边墙和墙脚。所以在进行支护结构设计时，隧道的拱顶及底部需要更高的安全系数，以达到支护结构的稳定。

图6 各监测点围岩位移随支护压力变化曲线

2.4.3 支护方案

根据数值计算结果及现场实际情况（围岩强度低，开挖过程中围岩收敛变形大，支护结构出现破损现象），提出采用掌子面预加固与超前锚杆相结合的支护措施。先对掌子面预加固（采用直径108 mm、长10 m 的玻璃纤维锚杆），施作超前锚杆（直径19 mm、长2.2 m 的钢锚杆）；再施作系统锚杆（直径22 mm、长2.2 m）+喷射混凝土（C30混凝土厚15 cm）支护。支护方案如图7所示。

图7 支护方案示意

图8 不同支护条件下隧道围岩变形曲线

通过数值计算得到不同支护条件下隧道围岩变形曲线，见图8。可知：相对于无支护时，施作超前锚杆围岩水平收敛可减小32%，掌子面预加固围岩水平收敛可减小38%，说明采用该支护方案能够满足支护要求。

3 支护方案的实施与监测

3.1 施工方法

1）掌子面预加固

掌子面预加固采用玻璃纤维锚杆，利用锚杆钻机根据预设锚杆孔参数向隧道掌子面内钻取多个锚杆孔，插入预设长度的锚杆，注入填充材料［9-10］。随后喷射C30 混凝土，厚25 cm，混凝土抗压强度为28 MPa。

2）施作超前锚杆

采用超前支护控制拱顶位移及掌子面变形。超前支护为钢拱架（型号HW175）+超前锚杆。采用YT-28型风钻进行钻孔，钻孔达到设计深度后，利用高压风清孔，清孔结束后采用风钻将锚杆顶入，锚杆尾端外露长度适中。超前锚杆尾部焊接在钢拱架外缘，成为一体。超前锚杆孔位钻设偏差不超过10 cm。锚杆插入后再插入注浆管，注浆压力为1.0～1.5 MPa［11-12］。当注浆压力达到终压不少于20 min，进浆量仍达不到注浆终量时，亦可结束注浆。注浆结束后，将管口封堵，以防浆液倒流管外。

3）锚喷支护

系统锚杆支护的间距×排距为0.8 m×0.8 m，长2.2 m；喷射混凝土厚15 cm。在平整的土坡面上由技术人员测出锚杆位置，并作出标记和编号，成孔倾角误差不大于±3°。喷射混凝土施工前保持围岩壁面平整。初期支护内的钢筋网应牢固在围岩上，钢筋网片可用插入围岩中的钢筋固定，在喷射混凝土时应不出现振动。

3.2 现场监测

现场在银瓶山隧道拱顶、拱肩和墙脚布设监测点，监测曲线见图9。可知：采用该支护方案后围岩最大变形量控制在10 cm 范围内，与数值计算结果基本吻合，取得了理想的支护效果。

图9 隧道断面变形监测曲线

4 结论

1）在实际工程中，软弱围岩具有明显的应变软化特征，采用基于Hoek-Brown 屈服准则的应变软化模型计算所得的隧道软弱围岩变形量明显大于采用理想弹塑性模型的计算结果。应变软化模型的计算结果与现场实测结果比较吻合。

2）根据隧道开挖过程中软弱围岩变形量较大的实际情况，提出掌子面预加固及超前锚杆相结合的支护方案，取得良好效果。