浅埋隧道穿越软弱破碎围岩变形控制研究

摘要：浅埋隧道穿越软弱破碎围岩时，施工风险极高。软弱破碎岩体物理力学指标降低，自稳能力差，隧道可能会产生较大的变形，甚至塌方。如果不能采取有效的处理措施，将会延长施工工期，甚至会造成安全事故，大大的增加施工成本。文章结合实际浅埋隧道工程，在隧道穿越软弱破碎，采取了有效的控制措施，并结合数值分析模拟计算了围岩的变形量，保证了隧道施工的安全，为类似工程提供指导和借鉴。

Abstract： When the shallow tunnel passes through the soft and broken surrounding rock， the construction risk is very high. The physical and mechanical indexes of weak and broken rock mass are reduced， the self stability is poor， and the tunnel may produce large deformation or even collapse. If effective treatment measures are not taken， the construction period will be prolonged， even safety accidents will be caused， and the construction cost will be greatly increased. Combined with the actual shallow tunnel project， the paper takes effective control measures when the tunnel passes through the soft fracture， and calculates the deformation of surrounding rock by numerical analysis and simulation， which ensures the safety of tunnel construction and provides guidance and reference for similar projects.

關键词：浅埋隧道;软弱破碎围岩;数值模拟

Key words： shallow tunnel;weak and broken surrounding rock;numerical simulation

中图分类号：U 451.2                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）22-0123-03

0  引言

当岩体因地壳运动产生断层、褶皱、节理时，岩体的完整性就会受到破坏，抗剪强度会大幅度降低，承载能力会大大的下降，此时围岩的自稳能力较差，对工程会产生一定的危害[1]。

软弱破碎围岩降低了岩体的完整性及整体稳定性，隧道开挖后围岩的自稳能力降低，易产生较大的变形，甚至掉块。断裂带岩体破碎，上下盘岩体物理性能也可能存在较大的差异，隧道开挖后可能会产生不均匀沉降。软弱破碎岩体，围岩松散，密实度低，容易形成地下水的流经通道，隧道施工中，当地下水较丰富时，容易产生涌水问题[2-3]。

软弱破碎岩体的各种力学指标下降，给隧道施工带来极高的风险，如果不能采取有效的处理措施，将会延长施工工期，甚至会造成安全事故，大大的增加施工成本。因此当浅埋隧道穿越软弱破碎围岩时，研究如何能够控制围岩变形使隧道安全施工是非常具有工程价值。

1  软弱破碎围岩处置原则

1.1 总体思路

施工中要遵循加强超前地质预报、做好超前预支护、分部开挖、快速封闭的原则[4]。①做好超前地质预报工作是隧道安全施工的基本保障，随时掌握掌子面前方围岩的特征。②根据预报结果，在软弱破碎围岩段采取全断面或局部注浆、小导管或中管棚超前支护。③隧道开挖方采取分部开挖，减少对围岩的扰动。④开挖后，快速施作初期支护封闭，使围岩处于三向受力状态，增加围岩的稳定性。

1.2 具体施工措施

1.2.1 开挖方法

软弱破碎围岩自稳能力差，围岩会产生较大变形，当地下水丰富时易产生涌水突泥，施工风险极高。采取帷幕注浆进行超前加固堵水，开挖前采用小导管或中管棚进行超前支护。开挖方法选取两台阶预留核心土、双侧壁导坑法、CRD法或CD法，光面爆破开挖。

1.2.2 初期支护

隧道开挖后，应力发生重新分布，围岩产生变形，同时在爆破荷载的作用下会加速围岩的变形，因此需要尽快施作初期支护，初期支护应满足以下特点[5]。①初支紧跟开挖部，及时封闭。②初支应有良好的伸缩性，适应围岩的收敛变形。③初支应有足够的强度，满足承载力的需求。④经济合理，施作方便。

2  工程实例

2.1 工程概况

毛栗隧道位于安顺市西秀区扬武乡杉木村毛栗组与沙地组之间，设计为分离式隧道起讫桩号左线长428m;右线长422m。线路大致沿东西方向横穿山脊;进洞口设计标高为1247m，出洞口设计标高为1251m;隧道最大埋埋深约68m，属浅埋短隧道。工程区域属构造剥蚀、溶蚀低中山地貌，地面高程1230～1333m，相对高差约103m，自然坡度一般25°～60°，大多陡峭，局部形成陡崖，出口处存在危岩体。山体上覆土层很薄，地表植被较发育，主要为杂草灌木，隧道山体东侧1.2km有村庄，有乡村小路与村屋相连，隧道施工的交通条件较为不便。隧道左线V级围岩长度共55m，IV级围岩280m，III级围岩长度93m，隧道右线V级围岩长度共55m，IV级围岩279m，III级围岩长度88m。其中V级围岩段落为浅埋段，围岩软弱破碎，自稳能力差，施工风险较高。Ⅴ级围岩段落隧道初期支护参数见表1所示。

2.2 数值分析

2.2.1 建立模型

采用FLAC3D数值分析软件进行三维建模分析，假定围岩为各项同向材料，岩体分布比较均匀，本构模型为Mohr-Coulomb，同时忽略地下水对围岩的影响[6-7]。

隧道模型高11.8m，宽12.9m。整体模型大小，隧道洞跨方向模型长90m，隧道顶部向上取50m，隧道底部向下取50m，隧道纵向取60m。模型的上边界为自由边界，左右边界约束水平方向位移，下边界约束竖直方向位移。围岩级别为Ⅴ级，采用上下台阶预留核心土法开挖，每个循环进尺为0.6m，上下台阶间隔12m 。三维模型图如图1～图2所示。

2.2.2 计算参数选取

本模型围岩采用Mohr-Coulomb本构模型进行模拟，参数E、μ、C、？渍、γ见表2所示。

在FLAC3D数值计算中所需参数分别是体积模量K和剪切模量G，根据以下公式进行参数换算可以得到体积模量和剪切模量[8-9]。

混凝土的计算参数做以下处理。Ⅴ级围岩考虑钢拱架的作用，在先提高一级混凝土强度到C30，然后再按等效法，将钢架的弹性模量折算给喷混凝土，具体计算公式为：

式中：E——折算后混凝土的弹性模量;E0——原混凝土的弹性模量;Sg——钢拱架截面面积;Eg——钢材的弹性模量;Sc——混凝土的截面面积。

2.2.3 变形计算分析

隧道开挖后，围岩的变形大小见图3～图4所示。

由图3～图4分析，得出隧道开挖后，水平位移最大收敛变形量10.1mm，拱顶沉量为11.6mm。根据《铁路隧道监控量测技术规程Q/CR9218-2015》，跨度7m

2.3 现场监控量测

选取V级围岩某一断面进行监测围岩的变形，测点布置见图5所示，围岩变形数据见表4所示。

对上述监测的数据进行分析，分析结果见图6～图8所示。

由图6～图8可以得出，隧道开挖14d左右时，围岩累计变形已经达到了总变形量的90%以上，变形速率小于0.2mm/d，围岩变形稳定，隧道施工处于安全状态。

3  结束语

浅埋隧道穿软弱破碎围岩时，风险极高，必须要采取相應的技术，确保隧道安全施工。文章对毛栗浅埋隧道Ⅴ级围岩段落进行了数值模拟分析，隧道拱的沉降和周边收敛均在规范要求的范围内。通过对现场监控量数据进行分析，在隧道开挖14d左右后，围岩变形速率小于0.2mm/d，变形趋于稳定，隧道施工处于安全状态。

参考文献：

[1]王晓.断层破碎带地段隧道稳定性分析与施工参数优化研究[D].北京：北京交通大学，2017.

[2]周凯.断层带深埋隧道围岩稳定性影响因素分析及施工方案优化[D].长沙：长沙理工大学，2016.

[3]张东明.山区隧道施工中塌方处治的分析与研究[D].上海：华中科技大学，2011.

作者简介：黄武林（1982-），男，贵州瓮安人，本科，工程师，主要从事隧道施工与管理工作。