高地应力软岩隧道变形特征分析

2023-08-18刘晓飞秦政

四川水泥 2023年8期

刘晓飞耿楠秦政

（1.山西铁道职业技术学院交通工程系，山西太原 030013；2.山西金信清洁引导投资有限公司，山西太原 030000）

0 引言

我国西北地区山脉众多，地形起伏错综复杂，且地质条件较差。在穿山越岭的隧道施工过程中，面临着裂隙水难阻断、地下水突涌、岩体变形、衬砌结构破坏变形等问题，给现场施工人员、项目机械设备和经济投资带来了重重挑战[1-2]。针对这些问题，学者进行了相关研究。

郭小龙等[3]基于成兰铁路杨家坪隧道开挖后的变形与应力重分布特征，并结合数值模拟过程，揭示该隧道兼具高地应力、陡倾层状以及软弱围岩等特点下的围岩变形破坏规律与机理。丁远振等[4]根据柿子园隧道在穿越断层带时，支护结构发生的破坏现象，实地监测钢架应力、围岩压力以及变形量等，发现构造应力的复杂性导致隧道结构与支护结构与隧道中轴线存在较大的差异性。李磊等[5]以成兰铁路茂县隧道现场取样，并以现场测试岩石试验结果为基础，分析茂县隧道挤压性软弱围岩的变形特征。其中，拱顶锚杆与围岩形成压缩体，共同承担受压作用。围岩释压过程中产生显著的裂隙扩容现象，导致自身与支护结构产生应力集中以及后续的破坏现象。

本文针对西部某高地应力作用下的软岩隧道在现场施工中出现的围岩大变形、变形侵限以及支护结构扭曲破坏等严重工程问题，通过数值模拟方法，对隧道不同监测位置处的围岩变形特征进行分析。为后续确定有利于现场控制围岩变形、安全施工的改进开挖工法提供一定的理论技术指导。

1 工程背景

该隧道为银兰高速全线工程的控制性节点，隧道的设计车速v=80km/h，内断面净宽10.05m，净高为4.8m；隧道左、右线长度分别为5018m、4927m，隧道部分区段最大埋深达到537m。根据工程岩体相关规范，可判断隧址区存在高地应力作用。

由于围岩易破碎分散，隧道开挖扰动使得其易形成拱顶空腔的不稳定部位；同时，部分导管受到围岩累计变形的加压作用，变形呈弯曲状，不能有效发挥对围岩的预支护作用。现场的预支护结构破坏、塌落成空腔。

2 数值模型建立与分析

以隧道洞室为中心，确定模型尺寸：横向为70m，竖向为80m，纵向为40m。隧道整体计算模型如图1所示。同时对模型左右边界、前后边界施加约束，分别限制边界面的水平位移、纵向位移；底部边界限制X、Y、Z方向的自由度。

图1 隧道整体计算模型

隧道开挖采用三台阶开挖工法，设置高地应力软岩为弹塑性模型，采用莫尔-库伦屈服准则，锚杆、初支、二衬等支护结构设置为弹性特性，开挖工法如图2所示。

图2 隧道三台阶开挖

隧道主要由强风化砂岩与炭质板岩构成，砂岩厚度为10～20m，板岩厚度为28～40m，围岩级别为V级，围岩参数如表1所示。

表1 围岩参数

初期支护与二次衬砌均由C30喷射混凝土组成，厚度分别为45cm、65cm。各支护结构参数如表2所示。

表2 支护结构参数

围岩地层在自然状态下可视为均匀弹塑体，将摩尔库伦准则作为其屈服条件。开挖贯通后稳定状态下的围岩主应力如图3所示。

图3 稳定状态下的围岩主应力

由图3可知，通过隧道开挖过程分析围岩变形情况，将添加地应力后的围岩位移与变形速率设置为0；并在各开挖步的计算过程中，设置15000步的应力释放时间，以达到工程实际的开挖效应。隧道开挖完成后，初始围岩最大主应力由最初的0.89MPa升至1.46MPa，拱顶与仰拱部位应力状态从最初的受压转变为受拉，最大拉应力出现在仰拱部位，最大压应力出现在两侧拱腰位置，存在一定的应力集中。

3 高地应力隧道变形特征数值分析

高地应力软岩隧道由于受应力作用以及岩体自身严重的流塑性特征，使隧道现场施工过程中围岩产生不稳定大变形，对施工造成严重破坏与干扰。故在数值模拟计算分析时，重点研究隧道拱顶、拱肩、拱腰等部位处不同距离范围内围岩的变形情况。

考虑到模型开挖步距与划分网格的适应性，设置开挖步距为5m。以10m以及40m处围岩为监测断面进行变形监测，不同断面的变形云图如图4所示。

图4 不同断面隧道拱顶沉降与水平收敛（单位：m）

由图 4可知，隧道开挖后不可避免地会对周围岩体造成扰动，拱顶沉降相对于拱底隆起而言，要更加迅速，且影响范围更大。在水平方向的收敛变形方面，隧道围岩变形呈“蝴蝶型”分布；拱肩与拱脚部位的变形相对拱腰更加突出。变形趋势关于竖向隧道轴线呈对称分布，但隧道左侧整体向隧道净空方向发生收敛变形。隧道洞室的开挖使围岩产生较大的临空面，软岩向着临空面产生挤压变形，进而使隧道拱顶和仰拱处受到拉应力最大，拱腰处次之，从而造成隧洞周边围岩向洞内方向收敛变形。

随着施工阶段的进行，岩体各不同位置处的变形值也发生不同的变化，最大沉降与水平收敛分别为30.73cm与14.71cm。隧洞在开挖过程中，隧洞拱腰、拱顶、仰拱及掌子面处的位移变形最为剧烈，尤其是拱腰处的岩体变形值大且围岩松动范围广，说明高地应力软岩隧道拱腰处为危险位置。在施工过程应对隧洞拱腰处作超前预支护与加强支护，拱腰处的最大变形值发生在隧洞轮廓处，隧洞随着第一阶段上台阶的开挖，围岩不同位置的水平向与竖直向都发生了不同程度的变形。可以看出围岩的水平变形范围更大，并且变形值也比竖直向大。从围岩变形竖向云图中可以看出竖直变形主要集中在隧道轮廓附近，变化值比水平变形要小，随着后面施工阶段的完成，隧洞拱腰处围岩的变形逐渐减小，在隧洞内部围岩轮廓处的变形比进洞时要小，围岩松动范围的扩展速率也在减慢，隧洞周围的围岩在支护结构的作用下慢慢地形成了固结圈，这对围岩的变形有一定的抑制作用。其次在隧洞开挖过程中掌子面处的变形较大，对隧洞掌子面也应作超前加固，以防止隧洞在开挖过程中掌子面由于岩体压力过大，发生岩爆或崩坍等隧道施工性的病害，对施工机械和技术人员造成经济损失。隧洞在下阶段上台阶开挖中，岩体掌子面的变形最大，最大值为20.4cm，从隧洞开挖过程中可以看到拱顶的位移变化也较大，因此在实际施工过程中对隧洞拱顶处也要作超前加固和加强支护。通过围岩变形云图可以看出隧洞仰拱处的竖向变形位移也较大，在实际工程中也不得不重视。仰拱处的水平向围岩变形值较小，竖直向围岩变形随着开挖阶段的进行呈增大趋势，直到隧洞进洞后第五施工阶段完成后，仰拱变形保持稳定，变形减小，其最大变形值为28cm。