深埋软岩隧道台阶法施工过程力学效应研究及优化

张 凯

重庆交通大学土木工程学院（400074）

0 前言

我国西部地区很大一部分都是山区，并且地质地貌复杂多样，软岩分布较为广泛。近年来，我国西部大开发计划在不断进行的过程中，大量山区公路隧道如雨后春笋般修建。当隧道位于软岩地区时，大多高应力软岩隧道出现了变形问题[1]。在软岩地区隧道不断增多的同时，我们也在处理软岩大变形的问题上积累了重要经验。隧道的大变形不是在开挖后的短时间内发生的，而是在经过一段时间的变形积累，隧道才产生的失稳破坏。可以推断，隧道的变形失稳与时间长短有关[2-3]。很长时间以来，我们使用经典的弹塑性模型对软岩隧道变形进行模拟存在着许多难以解决的问题。因为弹塑性模型理论认为，隧道开挖后的变形是瞬时形成的，隧道的失稳破坏也是开挖后很快发生的，而实际上软岩隧道需要一段时间后变形才趋于稳定，即使变形达到稳定后，岩体与支护还可产生应力松弛，因此只有从流变力学的观点才能作出合理的解释[4-6]。

因此，文章主要研究软岩的流变现象，为软岩隧道的设计与施工提供依据。文章以两江隧道工程为例，该隧道多为IV、V 级围岩，在修建过程中多次遇到大变形，使隧道支护开裂、剥离，甚至出现剪切破坏。在借鉴前人成果的基础上，利用依托工程进行试验研究、数值计算、理论分析，对软岩隧道围岩稳定性进行讨论，并着重研究软岩隧道支护时机及开挖的时空效应，为其他类似工程提供一定参考，具有重要的社会及经济意义。

1 计算及建模

1.1 计算背景及衬砌荷载计算

两江隧道为山岭隧道，地下水丰富，围岩等级为IV 级，埋深为56 m，隧道开挖半径为5.5 m。该隧道的岩土体容重24.6 kN/m3，弹性模量为 3.5 GPa。土体泊松比为 0.34，凝聚力为 0.6 MPa，内摩擦角为35°，衬砌结构采用C30 混凝土。

经验方程法是对岩石进行一系列试验，利用数学方法建立起来的流变公式,具有典型的数学形式，能拟合较多的岩石流变特征。利用数理统计学可以拟合得出岩石蠕变的试验结果[6]。

岩石蠕变的经验方程通式为

式中，ε（t） 为 t 时间内的总应变，ε0为瞬间应变，ε1（t）为减速蠕变阶段应变，ε2（t）为等速蠕变阶段应变，ε3（t）为加速蠕变阶段应变。

目前通过岩石试件试验获得的典型蠕变方程主要有:

1.1.1 幂函数型方程

表达式为:

式中，B、n为试验常数，其值与材料性质、应力水平及稳定条件有关。

1.1.2 对数型方程

表达式为：

式中，B、C 为试验常数，ε0为初始弹性应变。

1.1.3 指数型方程

表达式为:

式中，B为常数；f（t）为t的函数。

本次采用的是“地层结构法”对隧道衬砌进行设计计算，这体现了设计的经济性。首先结合《公路隧道设计规范》进行围岩压力的计算，其中，水平荷载和竖向荷载均近似按照均布荷载考虑。

判断深浅埋隧道:

隧道埋深大于2.5 倍hq，故为深埋隧道。

竖向压力为122.76 kN/m3。水平土压根据经验公式:

1.2 有限元模型的建立

使用大型通用有限元Abaqus 软件建立弹塑性本构模型，在hypermesh 模块中建立beam 梁单元。首先在Part 模块内确立三维坐标及开挖方向，将建好的隧道模型在Mesh 模块中进行网格划分。然后，将建立的多个Part 模型进行装配，并赋予其相关材料属性。接着，根据隧道的实际地质状况对模型施加约束，并且对其施加竖向及水平荷载。在用Abaqus 模拟时，已知的隧道埋深、岩土容重等相关参数计算出该埋深下隧道的初始地应力以及岩土的孔压。将计算出的初始重力载荷均匀地施加在模型顶部截面。

为减小有限元模型中边界约束条件对计算结果产生的不利影响，计算模型的边界范围在各个方向上均大于3 倍的洞跨。具体计算时，计算域在水平方向宽度取100 m，在竖直方向取竖直长度为60 m，隧道纵深为56 m。隧道模型左面、右面和底面均为固支约束，顶面为自由面。隧道采用台阶法开挖。

2 计算结果分析

根据模型数值计算的结果，对两江隧道台阶法开挖引起的软岩段围岩竖向变形与应力进行分析。在开挖过程中得出纵向不同断面位置拱顶下沉量、隧底隆起量。

围岩竖直方向位移在隧道开挖完成后最大值出现在拱顶处，达到37 mm，左右侧沉降呈对称分布，左右拱腰处围岩拱顶沉降值约为33 mm，拱顶沉降有拱顶＞拱腰＞边墙的趋势，拱底处出现围岩隆起现象，最大隆起值约为27 mm。围岩塑性区很小且出现在拱脚处，这可能是由于拱脚处应力集中造成的，围岩处于安全状态。

上台阶及中台阶开挖后，H1、H2、H3 三点的拱顶沉降急剧增大，其值分别为33 mm、31 mm、31 mm，约占稳定后数值的77%。待中台阶开挖后，围岩沉降的速率逐渐降低。拱顶沉降主要集中在围岩开挖后的一周内，随着掌子面不断前移，掌子面的开挖对该断面沉降的影响也越来越小，与监控测量的实际数据相吻合。

由分析可知: 高地应力软岩隧道采用台阶法开挖通过时，拱顶最大沉降量为3.1 mm，隧底最大隆起量为5.7 mm，该最大变形与W 级围岩隧道最大变形阀值比较接近。此外，根据计算结果整理得到:采用台阶方法开挖，衬砌上最大弯矩为1 000 kN/m，最大弯矩在拱脚处，而衬砌拱脚设计的最大弯矩为1 200 kN/m，很明显支护结构抗弯能力仍有发挥余地。

3 结语

针对两江隧道软岩段的环境特点和地质条件，提出采用台阶法开挖，辅助采用超前小导管支护。

隧道开挖后，拱顶的沉降值有着急剧增大、缓慢增大、趋于稳定的趋势，开挖8 d 内的位移值达到最终位移的80%，可提供现场施工指导。

在初喷混凝土强度未达到设计强度时，围岩的初期压力主要由钢拱架承担，钢拱架内外侧均受压，外侧应力平均大于内侧应力。拱顶处的应力大于其他的部位。通过安全级别预测判断，围岩开挖过程中安全级别始终处于安全和基本安全状态。

现场测试结果表明，理论计算值与现场测试值基本吻合。工程实践证明，两江隧道在通过高地应力软岩段时，采用台阶法开挖，并辅助其他工法进行超前支护和加固，同时采取信息化监控量测措施和风险防范措施，可有效地控制隧道受力和变形，确保隧道通过高地应力软岩段的施工安全。