高地应力双隧道开挖围岩变化规律分析研究★

2022-01-18刘跃成赵智辉康跃明杨金虎

山西建筑 2022年2期

刘跃成，赵智辉，康跃明，杨金虎

(1.云南交投集团投资有限公司，云南昆明 650103； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

0 引言

我国公路隧道工程在近年来的建设速度显著提升，在建设地下通道，开挖公路隧道方面，拥有低成本、高工作效率的爆破开挖施工技术备受关注和青睐，但因为围岩会在开挖过程中释放大量的应力，进而出现变形的现象，需引起高度重视。国内外学者均就高地应力围岩岩层变形的问题展开了深入的研究，比如：李臣等[1]采用理论分析和数值模拟的方法，就预掘双回撤通道贯通时围岩稳定性下降的问题进行了分析，对其破坏原理和末采期间的围岩破坏特性进行了归纳，并明确了其区域应力场矢量的分布。付钊等[2]学者采用有限元数值模拟分析的方法对上海硬X射线土建部分盾构隧道施工时埋深小净距盾构隧道的关联性，并分析了各盾构参数。王卫军与崔建锋[3]采用“切线技术”，对深埋硐室“楔形塌落体+圆弧转动体”的原理进行了分析，然后归纳了埋深硐室围岩稳定性与硐室围岩相关参数的相关性。张瑞等[4-13]利用试验期间的现场检测资料，通过数值计算的方法进行了研究，认为要降低初期支护变形的程度，可以将一个缓冲层添加到初期支护和围岩之间，之后又分析了缓冲层在各种地应力测压系数下应该有的厚度。

近年来，在诸多埋深高、距离长且断面大的隧道施工案例当中，云县至凤庆高速公路工程是一个典型案例，所以以此工程作为研究对象对围岩变形等参数进行了准确的计算，期间相关的数值分析和模拟都是通过有限差分元法实现的，用以对施工岩层变形的可能性进行预测，并根据分析和计算所得对隧道及周围地表在施工期间的变形情况进行明确。

1 工程概况

安石隧道位于凤庆县凤山镇勐佑镇中河村与安石村之间，隧道通行条件不佳，目前只通山路，逼仄狭窄。此隧道地形变化较为明显，是典型的中山地貌。洞身及周围区域没有任何断层，以燕山期侵入花岗岩前奥陶系大田丫口组石英石片岩为出露地层，隧道范围内中线最大高差大概为475.5 m，中线高程为2 276.2 m～1 800.7 m，最大埋深为453.11 m。山体植被发育良好，坡度最大31°，最小14°，山前斜坡地带为进、出口处，山坡状态比较稳定。

此隧道双向长度各自为5 262 m以及5 338 m，属于分离式特长隧道。隧址区下伏基岩前半段和后半段分别是燕山期(γ52)侵入花岗岩以及前奥陶系大田丫口组(AnOd)石英片岩，强风化层格外厚，残积土彻底风化，中风化基岩无露头现象，本区内地质构造发育良好，没有区域性断层，所以隧道稳定性比较好。隧址区以基岩裂隙水为地下水的主要组成，来自于岩体风化带中风化、节理裂隙，风化裂隙的发育情况和地形地貌条件共同决定了地下水富水性，分布不均，岩体深部基岩裂隙当中，导水性、富水性分布不均，整体情况不佳。就工程地质调绘情况来看，隧址区内没有不良地质情况，如地下采空区、泥石流、滑坡等，也没有出现特殊发育的岩土。在开挖隧道期间，隧道围岩中残存的构造应力释放后可能会导致坚硬岩石出现岩爆现象。

2 数值模拟研究

2.1 数值模型建立

三维有限差分元计算模型如图1所示，在此模型中，地铁隧道走向、垂直隧道走向、埋深方向分别是图1中坐标的X,Y,Z轴，模型构建时所用比例为1∶1，这样可以更加真实，模型的长、宽、高分别是100 m,150 m,410 m。

按1 m 1个网格的标准对网格进行划分，以保证计算精度，清楚了解围岩岩层变形情况。地基岩层用实体单元模拟，初衬用衬砌单元表示，锚杆支护用锚杆单元表示。用双向约束表示模型四边，即Y方向和X方向，Z为单向约束。

2.2 计算参数选取

用摩尔-库仑本构模型表示岩体，用线弹性本构模型表示初衬和锚杆。表1所示为详细的技术参数。

表1 基本物理力学指标

2.3 施工步骤模拟

工程按照如下三个步骤进行施工：按照20 m间距的标准开挖左右隧道，然后进行初衬，再安装锚杆，对详细施工操作进行模拟时，需要施加和消除边界与载荷条件，钝化或激活所设网格单元。大致为：先对初始地应力场进行明确，然后归零位移，将地应力影响清除；其次，对隧道开挖过程进行模拟；最后，对衬砌和锚杆的施工进行模拟，也就是说，开挖隧道和初衬锚杆的施工是本次的主要模拟内容。

3 模拟结果规律研究

3.1 岩层竖向位移分析

图2，图3为与隧道拱顶距离各异的岩层竖向位移分布曲线与三维展示图，由图2,图3可知，岩层与隧道拱顶距离最近处呈现出了“W”型的变形曲线，而曲线越直，则说明岩层与隧道拱顶的距离越远，岩层竖向变形值与隧道拱顶的距离呈正相关关系，也就是位移变形值越大则越接近隧道拱顶位置。岩层与拱顶距离为10 m，350 m时，各自对应的竖向沉降值分别是14.9 m和2.1 m。围岩应力会在开挖隧道的过程中完全释放出来，这些应力会对周围隧道岩层造成冲击，而且越近，冲击越大，这一应力会因拱效应和岩层的存在而有所减小，正因如此，岩层与拱顶的距离越远，则受到的影响越小，自然也有较小的变形值。