破碎泥质围岩遇水软化时机对台阶工法隧道力学性能影响分析

李 鸿

(中机中联工程有限公司，重庆 400039)

隧道工程受地质环境影响较大，特别是当隧道穿越破碎地层时，常会导致大变形等相关地质灾害，已成为理论界和工程界极其关注的问题[1-3]。由于对大变形形成机理，控制方法认识的不足，国内外隧道发生大变形地质灾害的工程事例屡见不鲜，它一直是困扰地下工程界的一大难题。国外如日本Enasan隧道、奥地利Tauern隧道等[4]，国内如家竹菁隧道、关角隧道、大寨岭隧道、堡子梁隧道、二郎山隧道、乌鞘岭隧道、篮家岩隧道等都出现过影响较大的大变形情况[5-8]，给工程建设造成了很多困难[9-12]。

由破碎泥质岩隧道的施工研究表明，泥质岩隧道的变形很多情况下是由于地下水作用下泥质岩体产生较为明显的强度损失导致的，体积扩容现象并没有膨胀岩那么明显，本文通过分析某台阶工法隧道泥质岩遇水软化产生时机对隧道力学性能的影响，以期揭示泥质岩遇水软化产生时机与隧道结构安全的关联性，供泥质岩隧道工程建设参考。

1 隧道工程概况及计算模型

本文以某隧道工程为依托进行研究，该隧道全长6.5 km，洞身最大埋深263 m，洞高12.2 m，宽14.6 m，断面形式如图1所示，初支厚0.25 m(C25)，二衬0.45 m(C30)，软岩区段设置锚杆和钢拱架，锚杆长度3.5 m(0.8 m梅花型)，型钢钢拱架型号为I25B(纵距0.8 m)。隧址区地形起伏较大，横向冲沟发育，控制区段围岩以薄层状泥质岩地层为主，围岩等级为Ⅴ级，节理裂隙极其发育，岩体较破碎，施工采用上下台阶法。

图1 依托隧道工程横断面

计算分析采用平面应变模型，纵向取Z=0～-1 m，横向X=-60～60 m，竖向Y=0～160 m，仰拱底部到底边界74 m。底边界、前后边界(Z向)、左右边界(X向)均施加法向约束，上边界为自由边界，并施加按等效自重应力计算的边界应力值。围岩、二衬、初支均采用实体单元模拟，锚杆加固区、初支钢拱架采用等效提高单元参数进行模拟。计算工具采用FLAC3D，相关参数见表1，根据现场工程经验锚杆加固区参数按照围岩参数提高20 %选取(图2)。

图2 数值计算模型

2 施工步骤及工况

根据施工工序，将围岩弱化时机设置为如下5种工况：上台阶开挖锚杆后(工况1)、上台阶初支施做后(工况2)、下台阶开挖锚杆后(工况3)、下台阶初支施做后(工况4)、二衬施做完成后(工况5)。即分别在这5个阶段开始对围岩强度进行折减，工况见表2，进行数值模拟时，在设定的工况时刻后，每计算10个时间步进行一次塑性区搜索，应力释放通过控制施做支护前的计算时间步来近似控制，根据工程试验资料，泥质围岩遇水软化后的强度按照最初强度的30 %折减。

表1 数值模拟模型参数

表2 施工工序及工况

3 围岩遇水软化时机对隧道的影响分析

3.1 位移影响分析

选取各工况拱顶沉降、底板隆起、上台阶收敛、下台阶收敛进行位移分析，各工况位移见图3。可以看出：各工况中隧道上台阶开挖后洞周位移便开始产生，且均无收敛趋势，从发展变形速率来看，上、下台阶的水平变形速率较拱顶和底板隆起要快；从各工况A段1、3和C段2、4可以看出，锚杆支护后变形速率仍然较大，围岩应力释放较快；初期支护闭合后，变形速率明显降低，但变形仍按照较低的速率发展；二衬施做后，变形逐渐得到控制，且有明显收敛趋势，各工况变形趋势大致相同，最终收敛量值有差异。

可以推断如果支护施作过晚，会导致更大的收敛值或不收敛，所以及时支护在施工中是很有必要的。下台阶开挖后，围岩再一次发生应力重分布，洞周位移继续发展，从变形速率来看，下台阶的开挖对下台阶收敛影响更大，底板隆起值受其影响更小；如图4所示，上、下台阶初支交接位置洞周剪应力较大，应力较集中，容易产生变形和破坏；在支护刚度和强度足够时，围岩软化时机对变形趋势影响不大，但对变形值大小有影响，围岩软化越早，变形值越大，如图5所示；在V级围岩条件下，由于围岩强度低，初支对变形控制有明显效果，但位移曲线无收敛趋势，不能保证长时间的隧道安全，二衬需作承载结构考虑，施工时应严密进行监控量测，及时施作支护。

(a)工况1位移监测点时程曲线

(b)工况2位移监测点时程曲线

(c)工况3位移监测点时程曲线

(d)工况4位移监测点时程曲线

(e)工况5位移监测点时程曲线

(f)工况6位移监测点时程曲线图3 各工况位移曲线(单位：m)

图4 工况6台阶开挖锚杆支护后洞周剪应力云图(单位：Pa)

图5 各工况下拱顶沉降、底板隆起对比

3.2 围岩塑性区影响分析

选取各工况围岩塑性区图进行分析，各工况塑性区图见图6，各工况塑性区面积见图7。最终塑性区图像均呈蝴蝶状，表现为塑性区分布于隧道横向两侧，自拱腰和墙脚向围岩中延伸较远，拱墙延伸较近，拱顶和底板最近；绝大多数发生塑性屈服的单元均为剪切破坏，只有在洞周拱顶、拱腰区域有少部分单元发生受拉破坏；塑性区围岩弱化时刻越早，塑性区范围也越大，不发生弱化最小，塑性区面积值极差在300 m2左右，向拱顶两侧延伸最明显。

图6 各工况塑性区

图7 各工况塑性区面积(单位：m2)

塑性区呈蝴蝶状，是由于两侧拱腰和墙脚存在较大的剪应力，如图4所示，可以推断这些区域的支护结构也处于较大的应力状态；拱顶附近存在受拉塑性区，在未进行支护时洞周发生掉块的可能性很大。

3.3 衬砌安全性评价

3.3.1 主应力影响分析

提取各工况二衬最大主应力和最小主应力图对衬砌安全性进行评价，如图8所示，图中仅展示了工况1、工况3、工况5中二衬最大和最小主应力图。可以看出：除工况2外，各工况均无受拉区域，相对于其他区域，两侧拱腰和墙脚属于高应力区域；弱化起始时刻发生在二衬施做之前(工况1～工况4)，最大压应力逐渐减小，但发生在二衬施做之后则增大，如图9所示。

图8 各工况二衬最大、最小主应力云图(单位：Pa)

图9 二衬最小主应力最值

各工况中墙脚均主要是受压，且相对于其他区域属于高应力区域，在支护截面设计时应加以重视和加强，如使用大墙脚复合式衬砌设计；二衬主应力图两侧拱腰和拱脚应力较高与围岩塑性区的蝴蝶型分布是一致。

工况1～工况4二衬最大压主应力逐渐降低而工况5又升高可以理解为：当围岩弱化起始时刻发生在二衬施做之前时，弱化时刻越早二衬施做时洞周变形量越大，塑性区扩展也越大，则应力释放更多而围岩的自承能力更小，所以二衬承担的就更多，压应力也更大；围岩弱化起始时刻发生在二衬施做之后，前期变形较1至工况4工况少，围岩应力释放少，且由于二衬刚度相对围岩大得多，围岩弱化后二衬直接参与到应力的重分布中，二衬也将承担更多，这两项因素导致了二衬较大的压应力。

3.3.2 内力影响分析

设置如图10所示7个测点，提取每处测点过两单元体中心点(二衬采用两层实体单元模拟)连线且法向沿二衬横截面轴线切线的弯矩、剪力和轴力，并采用破损阶段法计算安全系数，结果见表3。

图10 二衬内力提取测点

由表3可以得出：围岩软化时机对二衬内力分布特征影响不大，各工况内力和安全系数分布规律大致相同；拱顶弯曲应力表现为内侧受拉，仰拱弯曲应力表现为外侧受拉；轴力均表现为压应力；安全系数均为靠近侧墙下侧(或墙脚)处较小，向拱顶和仰拱逐渐增大，仰拱比拱顶大。

表3 二衬各测点内力及安全系数

图11 各工况最小安全系数

图11为各工况最小安全系数，表4为最小安全系数发生的位置，可以发现除工况1外各工况最小安全系数均发生在墙脚位置，且均大于按破损阶段法验算截面强度的安全系数限值3.6；在二衬施做之前，围岩软化时机越晚，安全系数越大，但围岩软化发生在二衬之后，安全系数又会减小。

4 结论

本文针对破碎泥质围岩在地下水作用下易产生较为明显的强度损失导致隧道较大变形的问题，通过数值模拟，对围岩软化时机与隧道结构力学性能的关联性进行了研究，主要对比了不同软化时机条件下隧道结构体系位移场、塑性区

表4 各工况最小安全系数

形态及面积、二衬应力及内力分布，有如下几点启示:

(1)在支护刚度和强度足够时，围岩遇水软化时机对洞周变形趋势影响不大，但对其量值有影响，围岩遇水软化越早，变形值越大。

(2)围岩遇水软化时机对支护结构内力分布特征影响不大，墙脚往往是控制截面，对二衬安全系数有影响。

(3)在支护刚度和强度足够时，围岩遇水软化时机对塑性区分布特征影响不大，但对进入塑性区的围岩面积有影响，围岩遇水软化时机越早塑性区面积越大，且向拱顶两侧延伸最明显。

(4)V级围岩条件强度低，初支虽对洞周变形有明显控制效果，但有明显不收敛趋势，不能保证长时间的隧道安全，二衬需作承载结构考虑。