在高地应力作用下近水平岩层隧道掌子面稳定性分析及控制*

叶来宾，李梦可，蒲 松，张 睿，廖 杭，张 乾，方 勇

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.四川川交路桥有限责任公司，四川 德阳 618300)

0 引言

随着我国隧道工程的快速发展，出现越来越多的大埋深隧道。在深埋高地应力条件下，隧道容易出现掌子面塌方、初支破坏等问题，而在水平层状围岩中掌子面的失稳机理更为复杂，掌子面的失稳对施工效率和安全造成了巨大影响。因此，研究隧道掌子面失稳机理及相应的优化措施十分必要。

层状围岩的破坏特征及机理与一般围岩不同。众多学者[1-5]以层状岩层隧道为背景，针对水平岩层隧道的初期支护参数进行分析，根据室内试验和现场监测结果发现了层状围岩发生较大变形的几种情况，分析层状围岩变形机理优化支护方案和施工措施；张志强等[6]利用正交试验的方法分析了影响节理岩体隧道稳定性的因素，提出锚杆和接触面的相互作用；杨修[7]通过分析隧道开挖-支护体系作用机理，归纳出工程中有效的抑制围岩变形和失稳坍塌的合理支护设计参数；孙冰等[8]针对爆炸应力波在岩体中传播问题，建立相似模型试验开展爆炸应力波在层状节理岩体中衰减的试验研究，得到爆炸应力波在各个节理方向的传播衰减规律。

数值模拟中，离散元软件具有可以计算岩体延续变形问题的独到优势，因此在掌子面失稳计算问题中多有需要用到离散元软件的地方。众多学者[9-12]采用UDEC离散元软件研究了层状围岩支护稳定性，提出了多种整体优化支护方案；李梓涵[13]通过模型试验和UDEC数值模拟研究层状裂隙围岩的稳定性，得到层状裂隙围岩的应力传播规律和失稳判别方法；卢泽霖[14]利用数值模拟软件建立不同层间黏结强度隧道顶板的力学模型，在水平层状岩状破坏机理的基础上定量地给出了层间黏结强度的标准；周应麟等[15]利用有限元程序对不同倾角岩层围岩分析支护结构受力特点，总结出不同产状围岩的受力特征及相应二衬的最不利受力处；贾蓬等[16]、林崇德[17]、邵珠山等[18]利用离散元分析软件，分析得到多种因素影响下的层状巷道围岩的变形破坏特征及破坏规律。

学者们对层状围岩隧道支护优化研究诸多，但是对在高地应力下的层状围岩隧道的情况研究较少。高地应力隧道易产生岩爆，爆破振动对层状围岩变形影响较大。本文以大峡谷隧道为工程背景，针对现场高地应力层状围岩掌子面失稳及支护结构破坏等问题，采用离散元分析软件深入揭示掌子面失稳演化规律，探究掌子面的失稳机理，并对易发生塌方段落提出整体优化控制措施，现场支护效果显著。

1 工程背景

峨眉至汉源高速公路大峡谷隧道全长12.146 km。隧道主要穿越白云岩、板岩等，岩层近水平状，面临着高地应力施工的风险。隧道地质纵剖面图如图1所示。

图1 隧道地质纵剖面Fig.1 Geological longitudinal section of tunnel

2 高地应力水平层状围岩失稳特征

2.1 地应力评价

根据大峡谷隧道实际施工情况，采用空心包体应力解除法进行地应力测试，地应力测试钻孔位置选定隧道右线右边墙处，远离掘进掌子面，避免隧道开挖(爆破)和出渣的不利影响，选择测点位置为K77+5右帮，地应力水平评价为极高应力。

在高地应力隧道开挖时，应加强综合采用超前地质预报、注浆加固和超前支护等措施，降低隧道开挖风险。

2.2 掌子面塌方形态

隧道K77+262～K77+270段，围岩为微风化粉砂岩、石英砂岩，围岩级别为Ⅳ级。在出渣过程中，掌子面左侧发生大面积坍塌，造成左侧超前支护全部破坏，由左侧起拱线至拱顶形成一处塌腔，塌腔长约8.0 m，宽约3.5 m，高约4.5 m。具体塌方形态如图2所示。

图2 顺层滑移型塌方Fig.2 Bedding sliding collapse

隧道K77+937～K77+950段，围岩为微风化白云岩，围岩级别为Ⅲ级。在喷射混凝土后，初期支护混凝土与钢拱架剥离，拱顶掉块严重，20 min后，掌子面拱顶发生大面积坍塌，形成长约13 m，宽约10 m，高约4.5 m的塌腔。具体塌方形态如图3所示。

图3 高应力挤压离层塌方Fig.3 High stress extrusion separation collapse

在近水平岩层段，由于层间结合性差，施工期间的扰动易造成拱顶围岩局部塌落现象，如图4所示。此类现象在近水平岩层段发生次数较多，且塌落过程持续时间较长，若不及时采取措施加固围岩，可能演化为大型塌方。

图4 块状局部塌落Fig.4 Massive local collapse

2.3 支护结构破坏

如图5所示，在施作超前锚杆和下一循环进尺结束后，出现超前支护末端垮落或承受围岩压力过大而弯折的现象，掌子面拱顶部位围岩出现顺层脱落，导致超前支护效果的失效，不能有效控制拱顶围岩位移和抑制松动圈向围岩深部的发展。

图5 超前支护的失效Fig.5 Failure of advance support

如图6所示，较高的水平构造应力对初期支护结构产生明显的水平挤压作用，导致拱顶出现大范围纵向开裂和顺层偏压现象。

图6 拱顶初支开裂掉块和钢架弯折现象Fig.6 Cracking,block falling and bending of steel frame in initial support of vault

3 掌子面塌方失稳的演化过程

3.1 模型建立

结合现场设计资料，利用离散元软件3DEC研究掌子面围岩失稳的破坏机理，选取段落围岩主要呈近水平中-薄层结构，Ⅳ级围岩。

模型尺寸为长50 m，宽12 m，高44 m，隧道横截面跨度10.8 m，高度7.15 m，块体单元采用摩尔库伦模型，简化的层理面和优势结构面采用摩尔库伦滑移模型。模型的四周采用位移边界约束，如图7所示。

图7 隧道掌子面及模型建立Fig.7 Tunnel face and model establishment

3.2 计算参数的选取

数值模拟与室内试验获得的应力-应变曲线在斜率、峰值和变化趋势上都比较近似。数值模拟和室内试验数据对如图8所示。

图8 室内试验与数值模拟应力应变曲线对比Fig.8 Comparison of stress-strain curves between laboratory test and numerical simulation

因此，数值模拟中的计算参数根据室内试验得到的结果，具体如表1所示。

表1 块体单元力学参数Table 1 Mechanical parameters of block element

3.3 掌子面失稳过程

根据现场施工情况，模拟采用全断面开挖，1次进尺3 m，由图7的计算模型和表1的计算参数可知，对隧道开挖后围岩发生渐进失稳破坏的过程分别从围岩位移、塑性区、剪切滑移区和掌子面岩体变形情况进行分析。

1)基于围岩位移分析

如图9(a)～图9(b)所示，掌子面开挖后隧道围岩的位移逐渐向深部发展，拱顶和底部最先出现层间分离和块体的松动。隧道开挖后拱顶上方最先出现层间分离，并伴随着少量的掉块，如图9(a)所示，层间离缝由于水平层状岩体纵向各向异性导致。浅层岩梁最先出现裂隙和块体掉落产生受拉破坏，形成塌腔。拱部围岩已基本形成稳定的塌落拱，塌腔高度为3～4 m，宽度为4～5 m。

2)基于围岩塑性区分析

如图10(a)～图10(b)所示，随着开挖步数的增加，围岩塑性区逐渐向深部发展，隧道底部塑性区扩展最快。隧道底部中间部位主要表现为拉伸破坏，破坏深度约为2.5 m；边墙脚处主要为剪切破坏，并斜向下发展，深度约2 m；拱肩位置主要为剪切破坏，且基本呈45°不断向围岩深部扩展，深度约2.5 m；拱顶的塑性区发展为高4 m左右，宽度5 m左右的近似三角形破坏区，该破坏区的范围近似为掌子面开挖拱顶失稳塌方形成的塌腔范围。

图10 掌子面开挖后围岩塑性区范围Fig.10 Range of surrounding rock plastic zone after tunnel face excavation

3)基于剪切滑移区分析

随着计算步数的增加，拱顶的层间错动离缝迅速向深部发展，从最先的水平层间错动逐渐出现层间斜向裂纹扩展滑移如图11(a)～图11(c)所示，在计算1 500步后层间水平剪切位移发展减缓，斜向剪切裂纹扩展加剧。掌子面拱顶上方水平层理最先出现错动离层，剪切滑移区裂隙贯通发展为高4 m左右，宽度5 m左右范围的塌腔。

图11 掌子面围岩剪切滑移区Fig.11 Shear slip zone of surrounding rock in tunnel face

4)掌子面岩体变形情况

如图12(a)～图12(b)所示，隧道刚开挖完后，围岩拱顶和拱底的块体变形速率较大，掌子面拱顶块体呈斜向下45°变形发展，掌子面中部和底部块体呈平行于隧道轴向变形发展，掌子面拱顶处的块体变形速率较大，剪切滑移区最终影响深度在掌子面前方3～4 m范围内。

图12 掌子面岩体剪切滑移区和块体变形速率矢量图Fig.12 Vector diagram of shear slip zone and block deformation rate of rock mass in tunnel face

3.4 失稳形态分析

1)围岩的失稳破坏

掌子面开挖后围岩最终的总体位移云图如图13(a)～图13(b)所示。拱顶水平岩层出现了明显的分层垮落破坏，层间错动掉块明显。拱顶围岩的变形受层间结构面的影响，表现为不连续性，洞顶围岩变形超过5 cm的区域为高3～4 m，宽6～7 m，其破坏形态与现场掌子面开挖后围岩失稳坍塌形态相似，破坏机理基本为拱顶水平岩层的层间错动引起的岩梁的破断和优势结构面的贯通，最终导致掌子面拱顶围岩的失稳垮塌。

图13 掌子面开挖后围岩失稳位移云图Fig.13 Nephogram of surrounding rock instability displacement after tunnel face excavation

2)支护结构的失效

如图14(a)～图14(b)所示，超前支护在水平岩层发生错动的位置产生剪切破坏，无法保持拱顶围岩的完整性和抑制层间裂隙的发展垮落。拱顶发生破坏位置的超前支护轴向位移最大，达到4.49 cm，图中拱顶最大变形已达到18 cm，这时初支结构早已发生破坏，失去对围岩约束。

图14 初支及超前支护的失效Fig.14 Failure of initial support and advance support

4 掌子面优化控制措施

根据现场掌子面实际的塌方实例、工程地质情况以及支护结构的破坏形态，可以得到坍塌段岩层近水平状，受到高地应力影响，自稳性较差，开挖扰动后，岩层易逐层剥落。

大峡谷掌子面塌方总体施工处治措施：1)对于临近塌腔前6 m处施工临时护拱，护拱采用I18@80cm钢架；2)临时支护完成后，分次清除塌腔体，每次清除塌腔体控制在2.0 m；3)坍塌体清理后立即对塌腔表面喷射15 cm厚度的C25混凝土进行封闭；4)拆除损坏的钢架并进行开挖轮廓扩挖，确保足够的预留变形量，利用直径100 mm的PE管将塌腔内水引排至边墙，后期引排至中央排水沟；5)塌腔段采用双层钢拱架支护结构，并加强超前支护；6)采用泵送C20混凝土及压砂对塌腔进行回填，C20混凝土厚度为3 m，压砂充填厚度1 m，泵送管预埋不同长度，分多次完成混凝土泵送；7)施工过程中全程监测初期支护状态，一旦发生围岩收敛、拱顶下沉突变立即停止施工。如图15所示。

图15 典型塌方断面处治措施Fig.15 Treatment measures for typical collapse section

如图16～17所示，采用整体优化控制措施后，通过现场监测，得到K77+951断面AC测线收敛位移最大，稳定值为2.5 cm，AB和BC测线收敛值分别为1.3，1.4 cm；K77+976断面AC测线收敛位移最大，稳定值为4.3 cm，AB和BC测线收敛值分别为1.4，3.3 cm，现场洞周围岩最大收敛量不超过5 cm，支护结构受力良好，围岩稳定，整体优化控制措施效果十分显著。

图16 K77+951洞周收敛位移Fig.16 Convergence displacement around K77+951 tunnel

图17 K77+976洞周收敛位移Fig.17 Convergence displacement around K77+976 tunnel

5 结论

1)高地应力水平岩层隧道掌子面失稳时导致超前支护末端垮落或承受围岩压力过大弯折而失效，拱顶受到高地应力挤压作用出现连续纵向开裂，初支在顺层偏压作用下表现出明显非对称性破坏。

2)水平岩层层间结合性差，隧道持续开挖导致层理底部最先拉伸破坏，伴随着层理内部裂隙扩展并向深部延伸，最终拱顶出现明显的分层垮落，形成高4 m左右，宽5 m左右的近似三角形破坏区。

3)隧道刚开挖完后，围岩拱顶和拱底的块体变形速率较大，掌子面拱顶块体呈斜向下45°变形发展，掌子面中部和底部块体呈平行于隧道轴向变形发展，剪切滑移区最终影响深度在掌子面前方3～4 m范围内。原支护方案变形过大无法满足安全要求。

4)现场掌子面塌方及支护结构破坏是由高地应力、节理面、支护强度不足等多种因素导致的，首先，应加强超前地质预报；然后，施加较强的超前支护措施控制变形；其次采用台阶法开挖；最后，开挖完毕后掌子面喷砼封闭，并施加强度较大的初期支护，控制围压变形和塑性区扩展。优化后支护效果明显。