隧道软弱围岩的受力变形研究

雷济荣，汪 阳，甘沁霖

(1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022;2.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，武汉 430070)

近年来，我国在长距离交通这方面需求逐年提高，快速便捷的交通工具拉近了人们之间的距离。然而对于我国中西部地区，由于多属山地地形，形成贯通的交通网络就需要穿过这些山脉，开挖隧道便是最经济合理的方式。隧道开挖会面临施工环境较差、土体情况复杂、施工难度较大等问题，其中软弱围岩对于隧道开挖影响尤为突出。对于软岩的研究，国外要较早于国内，最早太沙基[1]提出一种围岩计算公式，由于公式着重考虑岩体内部粘结力的作用，一般适用于埋深较浅的隧道。随后，Rabeewicz L V[2]经试验提出一种新型支护理论，即“新奥法”。围岩和衬砌被看作一个承担作用的整体，充分发挥了围岩自身承载力，而支护结构起到加固作用。国内学者郑雨天[3]、陆家粱[4]等人将弹性力学和塑性力学理论引入隧道软岩的研究中，在“新奥法”的基础上提出“联合支护”理论，即将隧道开挖中支护部分分为多个阶段进行数次的支护加固，同时进行相应的测量和监视措施，达到保证软岩稳定的目的。近些年，有限元软件的出现，使软弱围岩的受力变形研究更加高效。何振宁[5]等人指出高地应力软弱围岩大变形等五种围岩变形模式；张浚厚[6]利用分析软件FLAC对堡镇隧道进行数值模拟,得出高地应力环境下的施工更容易造成初期支护结构破坏和挤压变形；苏道振[7]利用BP神经网络方法，比较准确地预测隧道围岩的拱顶沉降及围岩收敛。

根据岩体情况将某隧道划分为各个区段，分析各区段的岩石组成与特性并评定不同等级，再选取各个合理断面，利用有限元软件建立一定长度的断面模型，最终选定合理的开挖方法，并利用数值仿真分析了开挖不同阶段的不同等级的围岩的受力变形特点。

1 隧道岩体地质概况和施工方法

1.1 地质概况

隧道软弱围岩岩体[8]大致分为第四系地层、沉积岩地层、变质岩地层3类。根据勘测结果，将隧道在软岩范围内的开挖长度划分为5个区段：①ZK10+415.000～ZK10+513.000，此段内岩体主要由第四系崩坡积层块石组成，块粒松散，围岩的整体稳定性较差，且位于隧道入口处，若支护措施不当容易发生围岩失稳，整体属于Ⅴ级围岩。②ZK10+513.000～ZK10+563.000，此段内岩体主要由中风化千枚岩、砂岩组成，内部缝隙较多，整体性很差，整体属于Ⅴ级围岩。③ZK10+563.000～ZK10+925.000，此段内岩体主要由千枚岩、角岩等组成，整体稳定性较差，并且经判断此段围岩内存在断层现象，整体属于Ⅴ级[9]围岩。④ZK10+925.000～ZK10+988，此段内岩体主要由中等风化的花岗岩、闪长岩等组成，岩块较为坚硬，但节理和裂隙发育明显，整体性较差，整体属于Ⅳ级围岩。⑤ZK11+227.000～ZK11+300.000，此段内围岩以花岗岩和坚硬闪长岩为主，岩体整体较为坚硬，但经初步判断，其内部存在两种主要岩体的分界线，岩体裂缝发育明显，有破碎的现象，整体属于Ⅲ级及以上等级围岩，故不将其列为研究对象。

1.2 施工方法

由于软岩的自稳能力较差，破坏形式多种多样，很难检测和预报，选择合理的开挖方法并采取正确的加固方案尤为重要。故而采用预留核心土三台阶法开挖隧道[10]：将断面分为上台阶、中台阶、下台阶、预留核心土和仰拱几个部分，自上而下依次开挖，每个步骤开挖完成后及时支护，整体施工纵向错开，逐步向前推进。在开挖过程中，需要及时设置超前支护，适当加强隧道断面拱脚的支承力，增强初期支护的连接等措施加强围岩的整体稳定性，且按要求设置排水系统，防止隧道内涌水浸没结构设备造成安全隐患。

2 数值模型建立与受力变形分析

2.1 模型建立与相关参数

模型以隧道开挖段内3个Ⅴ级围岩区段和2个Ⅳ级围岩区段为研究对象，选取每一段内某一具体断面作为研究对象，并将各区段由1～5进行编号。具体围岩力学参数、锚杆、支护相关参数见表1。

表1 围岩和支护参数

隧道断面的最大宽度为11.06 m，最大高度为8.65 m，埋深为200 m，单次开挖进深单元为2 m。为限制边界位移，在模型x方向设置约束；为限制其底部位移，在模型x、y方向设置约束。所建模型见图1、图2。

2.2 有仰拱隧道内力变形分析

对1号围岩，用有限元软件分析了各开挖步骤下围岩水平位移图，研究结果见表2。

表2 一号围岩各测点水平位移 /mm

表2研究结果表明，在第1步开挖阶段上台阶左测点与上台阶右测点水平位移与其他测点相比较大，但随着开挖的进行，上台阶左右测点位移逐渐减小，下台阶左右测点位移逐渐变大，其中第3步开挖阶段位移最大为18.99 mm。最终水平位移最大处为下台阶右侧点，为45.47 mm。

隧道开挖结束后拱顶及上台阶处沉降值见表3。

表3 一号围岩拱顶及上台阶处沉降 /mm

从表3可知，由于隧道围岩性质较差，初始地应力作用下围岩Y方向上的沉降量较大，为163.613 mm。在开挖过程中，第1步对拱顶围岩沉降量影响最大为44.456 mm。由于及时采取支护措施，第2、3步对拱顶围岩沉降量分别为1.652 mm和1.024 mm，最终沉降量为42.576 mm，略有减小。

最后通过模型计算了围岩的应力状态来判断其整体稳定性，各测点应力值计算结果见表4。

表4 一号围岩各测力点应力值

表4计算结果表明，在第1步开挖阶段上台阶左右测点应力值最大为4.97 MPa，下台阶左右测点及拱顶测点应力值较小仅为0.654 MPa。但是在第3步开挖阶段，下台阶左右测点及拱顶测点应力达到最大值分别为3.80 MPa和1.77 MPa。可以判断此时围岩最容易发生失稳，应该加强支护措施以及监测。施工过程中开挖土体转折处易出现应力集中，应采取适当措施防止支护结构局部破坏。

2.3 无仰拱隧道内力变形分析

对于某些工程条件比较特殊的地方，因地下水位、特殊地形、施工条件等因素，隧道内不便设置仰拱。由于不设仰拱，隧道内软岩的受力变形会发生改变。通过建立模型采用同有仰拱隧道相同的条件进行对比分析。以1号围岩分析结果为例，仅有第4步开挖过程有较大变动，各测点水平位移计算结果见表5。

表5 一号围岩各测点水平位移 /mm

表5计算结果表明，有仰拱隧道与无仰拱隧道仅在第4步开挖过程有区别，上台阶左右测点与拱顶测点水平位移由1.132 mm增至1.919 mm，下台阶左右测点分别由13.069 mm、13.487 mm增加至19.201 mm、18.816 mm。可以看出仰拱对隧道围岩水平方向稳定性起到较大作用。

再分别计算了隧道开挖结束后拱顶及上台阶处沉降值见表6。

表6 一号围岩拱顶沉降 /mm

由表6可知，无仰拱隧道拱顶沉降为208.032 mm，相比有仰拱隧道沉降增加了1.843 mm，初步表明仰拱对于拱顶沉降有一定抑制作用。

最后通过模型分析了围岩的应力状态来判断其整体稳定性，仅有核心土开挖阶段的应力图有较大差别，各测点应力值计算结果见表7。

表7 一号围岩各测点应力值 /MPa

表7计算结果表明，拱顶和上台阶测点应力值由0.87 MPa增大至1.66 MPa，下台阶测点应力值由4.65 MPa增大至5.54 MPa，可见仰拱的设置能在一定程度上降低围岩应力。

3 结 论

a.在上台阶开挖前设置足够的拱顶预留变形量，且在施工中做好超前支护措施。

b.隧道断面转角处容易产生应力集中现象， 应在施工中加强转角处的防护结构，增加锚杆数量，增大喷射混凝土厚度，保证施工安全。

c.为减小事故概率应尽量避开Ⅴ级岩体区域、条件允许的情况下尽量开挖仰拱保证隧道的稳定性。

d.仰拱能够在一定程度上限制围岩的变形，减小围岩内部的应力值，故在条件允许的情况下应尽量开挖仰拱。