高地应力状态下软岩公路隧道的大变形机理与规律研究

2020-05-15

公路工程 2020年2期

(1.山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030006 ； 2.太原理工大学,山西太原 030024)

0 引言

随着国家基础建设不断推进，高速公路建设延伸到广大中西部地区。由于中西部以山区为主，地质条件复杂，海拔高，因而使得现有隧道工程难以满足多变的实际工程需求，如高地应力[1]、软岩大变形等[2-3]。目前，高地应力区软岩隧道变形一致困扰交通隧道施工，由于软岩隧道围岩变形特征复杂，使得软岩隧道变形控制难度加大。相关学者从多方角度针对高地应力区软岩公路隧道变形特征进行了分析研究[4-6]。如针对不同岩层进行了三轴固结不排水剪切试验，分析了不同岩层在不同围压下的应力特性[7]；安茂盛等在分析软岩矿物组成和变形特性基础上，对软岩工程力学性能进行了分析等[8]。针对软岩隧道大变形的研究，季晓明等基于数值法和实测值对不同施工法下的隧道变形规律进行了分析，并验证了围岩“收敛-约束”法在抑制隧道变形的可行性[9]；李国立等结合隧道地质条件，在软弱围岩隧道大变形典型特征分析基础上，提出了控制软弱围岩隧道变形策略，并取得了较好的效果[10]。基于此，在相关研究基础上，以某高地软岩隧道工程为依托，针对不同侧压力系数条件下高地应力软岩隧道围岩变形规律进行分析，为实际工程提供监测和控制隧道变形量的有效方法。

1 软岩公路隧道模型

1.1 工程背景

某高速公路隧道位于兰海高速路段兰州境内，位于地震断裂带，隧道总长2.48 km，最大埋深92 m，隧道上部岩层竖向应力4.6 MPa，是一种典型的分离式深埋隧道。地层单一，以炭质板岩为主，分布少量片岩层，受构造影响，岩体极破碎，层间挤压严重，节理裂隙发育，层理产状变化大。炭质板岩属于软岩，各向异性明显，饱和抗压强度为5～15 MPa，根据高地应力判定准则，隧道围岩强度比小于7，处于高地应力状态。炭质板岩层状丰富，倾角不一，受水浸影响强度会大幅下降。隧道进洞口斜坡坡脚30°～40°，坡向和岩层组合关系为横向坡，出洞口坡度30°，岩层状55°<35°，坡向和岩层倾向为逆向坡，表1为隧道开挖支护参数。

表1 隧道开挖支护参数Table1 ParametersofTunnelExcavationSupport材料弹性模量/GPa泊松比内摩擦角/(°)重度/(kN·m-3)粘聚力/MPa围岩1.10.352818.60.16锚杆2000.3-3.86—喷混220.35022220a拱架2080.3-78.6—二衬32.10.360246

1.2 模型建立

在模拟深埋隧道中，岩土材料、地下水等复杂环境很难通过软件模型来模拟强度和刚度特性[11]。本文根据工程实践经验[12-13]，对建立的模型进行适当简化。在隧洞3～5倍洞径范围内岩土受开挖作用影响，为降低模型边界约束造成计算结果的偏差，设定模型隧道中心左右4倍洞径距离为左右边界，隧道底部延伸3倍洞径为模型底部边界，隧道顶部上延3倍洞径作为模型顶部边界。在模型上边界施加均布荷载q=γh模拟深埋隧道覆岩层的作用，根据等效刚度法计算复合砌筑参数，确定复合砌筑弹性模量[14]。图1为隧道断面示意图，表2中为隧道断面结构几何尺寸。

图1 隧道断面示意图Figure 1 Schematic diagram of tunnel section

表2 隧道断面几何尺寸Table2 GeometricdimensionsoftunnelsectionR1/mR2/mR3/mA1/(°)A2/(°)A3/(°)6.86.916.486047.616.3

隧道采用三心圆+仰拱结构，模型总跨度90 m，高度96 m，隧道长48 m。隧道开挖过程采用短台阶法施工，每次开挖2.4 m。采用模型中的混合网格进行模型网格，共划分为295 837个节点，285 349个单元。隧道围岩采用实体单元模拟、开挖锚杆支护采用植入式桁架、喷混、二次衬砌采用板单元模拟。利用GTS的“钝化”和“激活”模拟隧道开挖、支护施工，设定隧道围岩为弹塑性材料，整体开挖过程服从莫尔-库伦屈服准则[15]。模型上部为自由面，两侧和底部采用位移约束。

考虑到模型上部受到均布荷载的影响，为分析隧道开挖对围岩稳定性的影响作用，因此在GTS分析中，设置均布荷载初始阶段将产生的位移置为0，通过改变侧压力系数来模拟不同地应力作用下对软岩隧道开挖的作用，图2和图3为建立的隧道整体模型和锚衬模型。

图2 隧道围岩模型Figure 2 Tunnel surrounding rock model

图3 隧道锚衬模型Figure 3 Tunnel anchor lining model

2 结果分析

2.1 软岩隧道开挖变形特性

高地应力软岩隧道掌子面开挖过程中易发生基础变形。不同水平力下，掌子面开挖对前后围岩影响不同，本文中模型隧道开挖采用短台阶法+临时仰拱施工。将整个开挖过程划分为20个施工段23个施工部，为获得隧道开挖围岩完整变形曲线，选定第11段围岩衬砌为对象，如图2所示。掌子面开挖到第11段围岩砌筑时，选定拱顶位移测点A作为讨论点，如图4所示。

图4 第11段围岩衬砌测点示意图

Figure 4 Schematic diagram of measuring points of surrounding rock lining in section 11

2.2 隧道围岩水平位移

隧道埋深一定时，通过不同的侧压力来分析水平应力对高地应力软弱围岩隧道开挖变形影响作用。本文分析了侧压力系数K为0.25、0.50、0.75、1.0、1.5、2下的隧道围岩变形曲线，图5为隧道开挖掌子面推进过程中不同侧压系数的水平位移变化曲线。其中水平位移向隧道外扩展为负，向内收敛为正。横坐标为隧道开挖施工步。可以看出，当K=0.25时，围岩水平位移量为负，即向隧道外扩张，随着侧压力系数不断增加，隧道围岩水平位移逐渐由外扩转化为向隧道内收敛。当K=0.5时，第11段围岩开挖完成后执行第13个施工步时，随着隧道开挖推进，水平位移外扩，当K=0.75时转化为向内收敛，随着K值的增加，水平位移出现向外扩张趋势，出现回弹现象，但外扩位移并不明显。

图5 不同侧压力系数的隧道围岩水平位移Figure 5 Horizontal displacement of tunnel surrounding rock with different lateral pressure coefficients

比较分析K=0.5时的隧道围岩变形特种曲线可以看出。随掌子面的推进，隧道位移由内敛向外扩张，当施工步在7～11时，在后方开挖面作用下，第11段围岩产生提前扰动，尤其是在高地应力软弱围岩中，形成了非常大的挤出变形，在围岩作用下，围岩向隧道内产生收敛位移。当施工步在11～12时，在卸载作用下，水平位移向内收敛的速度最大。当围岩在未进行开挖前，隧道岩层类似于一个虚拟支撑，一旦岩层开挖完成，则围岩荷载释放，因此位移变形塑性最大[16]。当施工步进入到13～23时，隧道围岩水平方向的应力仅相当于竖直方向一般，水平应力过小不足以抵抗竖向应力下的隧道向下扩张趋势，此时隧道衬砌表现为竖向位移。

2.3 隧道围岩拱顶位移

分析不同侧压力系数下隧道围岩拱顶位移随施工步变化曲线如图6所示。其中隧道围岩拱顶位移向内沉降为正，向外挤压为负。可以看出，当K<1时，拱顶位移表现为内沉下降，并且随着掌子面推进而逐渐稳定。随K值的增大，位移逐渐减小，隧道先行变形量占总变形量比例不断增大，当K分别取0.25、0.50、0.75、1时，先行变形量占比分别为31.8%、32.4%、32.9%、36.1%。

图6 不同侧压力系数的隧道围岩拱顶位移Figure 6 Displacement of surrounding rock arch roof of tunnel with different lateral pressure coefficients

当K>1时，随掌子面推进，拱顶沉降呈现出明显的线性增长趋势。当隧道围岩位移在掌子面开挖完毕，不能得到掌子面有效的支撑时，在拱顶水平应力作用下出现上拱变形，且随着K值的不断增大，这种上拱变形现象更明显。当K为2时，上拱回弹量占整个隧道围岩总变形的28%，但拱顶最终表现为沉降变形。

K=0.25

K=0.50

K=0.75

K=1.0

K=1.5

K=2图7 不同侧压力系数下的拱顶位移云图Figure 7 Cloud image of arch roof displacement under different lateral pressure coefficients

实际施工过程中，通常对隧道竖向位移的监测时通过在隧道拱顶布置测点来进行竖向位移的测量。从图7中可以看出，当K<1时，最大竖向位移出现在隧道拱顶处;当K>1时，在拱腰位置出现最大竖向位移，因此，当隧道围岩K>1时，需要在隧道拱腰位置布置测点来布置进行监测，获得最大竖向位移值。

2.4 水平位移与拱顶位移关系

根据上述分析，比较不同侧压系数下隧道围岩水平位移和拱顶位移的最终变形量见图8所示。可以看出，随着K值地逐渐增大，拱顶位移最终变形量表现出逐步减小的线性变化趋势。当K值小于0.75时，随着K值的逐渐增大，水平位移由隧道外扩逐渐转化为隧道内收敛，当K值在0.5～0.75间时，存在一个水平位移零点，此时的最终水平变形量为0。K取值1附近时，隧道水平变形和拱顶变形所形成的最终变形量相等。因此，可根据现场对水平位移和拱顶位移间的位移关系来判定隧道围岩侧压系数的大致取值范围。