傅 鵬

(廣西偉隆高速公路有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

修建于我國西部地區(qū)的高速公路山嶺隧道，其賦存環(huán)境往往具有地質(zhì)條件復(fù)雜、節(jié)理斷層發(fā)育、隧道穿越不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)等特征，導(dǎo)致施工過程中隧道在穿越這些不利地質(zhì)帶時(shí)極易出現(xiàn)變形過大、甚至失穩(wěn)破壞[1-2]。因而，如何控制圍巖的大變形、合理確定支護(hù)時(shí)機(jī)、評(píng)價(jià)支護(hù)結(jié)構(gòu)性能是保障隧道安全施工的關(guān)鍵問題。針對(duì)這些問題，多采用數(shù)值模擬方法開展相關(guān)研究，如鐘乃龍、王崢崢等[3-4]通過數(shù)值模擬方法研究了隧道塌方破壞時(shí)在隧道拱頂?shù)那惑w形成規(guī)律和拱頂變形過程，并給出了對(duì)塌方形成的腔體的處理措施和支護(hù)方法；崔嵐、任博等[5-6]分析了隧道施工過程中圍巖發(fā)生大變形的演化過程、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征及其與變形間的相互作用規(guī)律，給出了圍巖變形控制方法；伍國軍、張子龍等[7-8]采用LDP方法(收斂—約束法)分析了隧道施工過程中變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)制，給出了圍巖最優(yōu)支護(hù)時(shí)機(jī)的確定方法和支護(hù)措施的強(qiáng)度校核方法。這些研究為更好地分析隧道圍巖的變形規(guī)律和支護(hù)措施的效果提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文將借鑒這些研究成果，以某高速公路隧道在穿越地質(zhì)弱帶時(shí)出現(xiàn)的變形破壞為案例，在充分開展現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析導(dǎo)致變形破壞的主要因素，進(jìn)而采用Phase2有限元分析軟件，建立能反映隧道開挖過程和支護(hù)措施的數(shù)值分析模型，結(jié)合應(yīng)力釋放系數(shù)方法，分析隧道圍巖變形演化過程與釋放系數(shù)間的關(guān)系，由此給出最優(yōu)支護(hù)時(shí)機(jī)的確定方法及其對(duì)應(yīng)的變形安全控制值，進(jìn)而分析復(fù)合襯砌、圍巖加固、錨桿等支護(hù)措施對(duì)圍巖變形的影響，并基于支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全裕度評(píng)價(jià)加固效果。研究成果可為同類工程問題的處理提供借鑒與支持，具有重要的工程意義。

1 圍巖破壞與治理措施

某高速公路隧道開挖過程出現(xiàn)隧道拱頂變形坍塌破壞，導(dǎo)致在拱頂區(qū)域產(chǎn)生了長1 m、寬4 m、高4 m的空洞。通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)：掌子面局部坍塌區(qū)域巖層巖性為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，且?guī)r質(zhì)較軟，巖體破碎呈破碎裂狀結(jié)構(gòu)，完整性較差；節(jié)理裂隙等破碎帶呈點(diǎn)狀出水，水的出現(xiàn)導(dǎo)致泥巖遇水軟化，進(jìn)一步降低了圍巖強(qiáng)度；隧道地表存在沖溝，常年富水，距隧道拱頂距離20～50 m，使隧道圍巖含水量較高，泥巖弱化較為明顯，導(dǎo)致隧道圍巖穩(wěn)定性存在較大風(fēng)險(xiǎn)。故認(rèn)為：(1)隧道施工過程中遇到巖層變化出現(xiàn)弱帶時(shí)，支護(hù)措施跟進(jìn)不及時(shí)是出現(xiàn)該變形破壞的主要原因；(2)在后續(xù)施工中，特別是左洞隨著開挖的深入，弱帶層厚度越來越小，極易出現(xiàn)冒頂風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)對(duì)該處及時(shí)采用強(qiáng)支護(hù)以保證施工安全。

2 數(shù)值模型與研究方法

2.1 數(shù)值模型

表1 巖體力學(xué)參數(shù)一覽表

圖1 隧道數(shù)值分析模型圖

2.2 研究方法

根據(jù)圍巖拱頂破壞特征和處理方案，主要開展兩方面的研究工作：(1)采用控制圍巖開挖應(yīng)力釋放率的方法研究右洞上臺(tái)階開挖過程中圍巖的變形破壞過程；(2)將應(yīng)力釋放率與支護(hù)時(shí)機(jī)相結(jié)合，分析支護(hù)措施對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的支護(hù)效果。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 圍巖變形破壞過程分析

針對(duì)隧道右洞開挖上臺(tái)階過程中出現(xiàn)的拱頂變形破壞，采用圍巖開挖應(yīng)力釋放率控制的方法模擬分析開挖變形破壞過程。

圖2給出了在開挖右洞上臺(tái)階過程中，不同應(yīng)力釋放率下拱頂處變形的變化規(guī)律。由圖2可知：隧道拱頂圍巖變形量值隨著應(yīng)力釋放率的增加而增加，表現(xiàn)為應(yīng)力釋放率在50%前圍巖變形呈線性增加，之后隨著釋放率的增加變形量值急劇增加。通過變形量值與釋放率的關(guān)系可發(fā)現(xiàn)，如不能在圍巖變形的初期(釋放率50%、變形量值為5.4 mm)對(duì)其進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，將導(dǎo)致隧道拱頂圍巖的變形破壞發(fā)生，這與現(xiàn)場的破壞過程基本吻合。

圖2 右洞頂拱變形隨釋放率變化曲線圖

圖3為在不同應(yīng)力釋放率下圍巖的塑性區(qū)分布范圍。由圖3可知：圍巖塑性區(qū)在應(yīng)力釋放率為50%時(shí)，其范圍約為6～9 m，在錨桿的加固范圍內(nèi)；當(dāng)釋放率為80%時(shí)，弱帶巖體均處于塑性變形階段，此時(shí)支護(hù)措施對(duì)控制圍巖變形與破壞的效果將急劇降低。

圖3 不同釋放率下圍巖塑性區(qū)分布示意圖

3.2 支護(hù)效果分析

以前文研究成果為基礎(chǔ)，采用釋放率為50%作為最優(yōu)支護(hù)時(shí)機(jī)，對(duì)隧道開挖過程進(jìn)行模擬，研究支護(hù)措施對(duì)圍巖穩(wěn)定性的支護(hù)效果。

圖4和圖5分別為在應(yīng)力釋放系數(shù)為0.5時(shí)，隧道左右洞開挖完成后的位移分布圖。由圖4～5可知：拱頂圍巖不加固，僅通過釋放系數(shù)和支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)圍巖變形進(jìn)行控制，其開挖完成后右洞拱頂圍巖最大變形量值約為14.3 mm，左洞拱頂圍巖最大變形量值約為12.8 mm。當(dāng)對(duì)錨桿支護(hù)區(qū)域的圍巖進(jìn)行灌漿加固后，右洞和左洞拱頂變形最大量值分別降為9 mm和8.1 mm，比不加固減小了30%左右。

圖4 拱頂圍巖不加固變形分布示意云圖

圖5 拱頂圍巖加固后變形分布示意云圖

圖6和下頁圖7為采用復(fù)合襯砌強(qiáng)度驗(yàn)算方法繪制的混凝土襯砌的彎矩-軸力圖。由圖6～7可知：拱頂圍巖不加固時(shí)，混凝土襯砌最小壓-彎破壞安全系數(shù)為1，處于臨界狀態(tài)，而當(dāng)對(duì)拱頂圍巖加固后，壓-彎破壞安全系數(shù)約為1.45，約增加了45%，極大提升了復(fù)合襯砌的支護(hù)安全裕度，可進(jìn)一步保障隧道施工安全。

圖6 拱頂圍巖不加固襯砌強(qiáng)度包絡(luò)圖

圖7 拱頂圍巖加固后襯砌強(qiáng)度包絡(luò)圖

4 結(jié)語

本文以某高速公路隧道右洞拱頂開挖過程中的變形破壞為研究對(duì)象，分析了可能導(dǎo)致破壞的地質(zhì)和施工因素，采用數(shù)值模型方法分析了拱頂變形破壞過程，評(píng)價(jià)了強(qiáng)支護(hù)措施對(duì)隧道圍巖的支護(hù)效果，得到如下主要結(jié)論：

(1)隧道開挖過程中應(yīng)充分考慮圍巖開挖應(yīng)力釋放對(duì)圍巖變形破壞的影響，采用變形量值線性增加的拐點(diǎn)作為支護(hù)的最優(yōu)時(shí)機(jī)，其對(duì)應(yīng)的變形值可作為圍巖穩(wěn)定性的安全控制值。

(2)針對(duì)隧道拱頂存在弱帶等不利地質(zhì)時(shí)，既需采用強(qiáng)支護(hù)，又需對(duì)弱帶進(jìn)行加固，進(jìn)而在控制圍巖變形的基礎(chǔ)上保障復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的安全和支護(hù)效果。

(3)通過數(shù)值模擬，結(jié)合應(yīng)力釋放系數(shù)控制，指出了研究案例應(yīng)采用應(yīng)力釋放率為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的變形量值5.4 mm為最晚支護(hù)時(shí)機(jī)，明確了對(duì)弱帶區(qū)域進(jìn)行圍巖加固有利于控制變形量值，提高復(fù)合襯砌的安全裕度，有效保障施工安全。