崔光耀 陳秦瀧 王明勝 祁家所

（1.北方工業(yè)大學(xué)， 北京 100144；2.中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司， 成都 610000）

隨著越來越多的隧道穿越高地應(yīng)力區(qū)，圍巖大變形災(zāi)害開始頻繁出現(xiàn)［1］，如青藏鐵路關(guān)角隧道［2］最大水平收斂超過500 mm，給現(xiàn)場施工帶來極大的困難；蘭渝鐵路木寨嶺隧道［3］施工中最大變形量達(dá)1 300 mm，變形速率超過680 mm／d，多次出現(xiàn)二襯開裂；麗香鐵路中義隧道最大累計(jì)變形超過500 mm，導(dǎo)致施工嚴(yán)重受阻。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對隧道大變形已經(jīng)做了大量的分析和研究。在大變形影響因素方面，李磊［4］通過理論分析和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力陡傾層狀軟巖小間距隧道大變形災(zāi)害是圍巖產(chǎn)狀、構(gòu)造應(yīng)力、近接施工、圍巖強(qiáng)度等多重因素耦合的結(jié)果；楊會軍［5］對影響復(fù)雜條件下長大隧道圍巖變形的施工因素進(jìn)行分析，認(rèn)為施工對隧道的圍巖變形影響顯著，其中開挖初期影響最大；朱浩波［6］從支護(hù)時(shí)機(jī)、支護(hù)厚度、圍巖強(qiáng)度和埋深4個(gè)方面分析了圍巖的變化規(guī)律；王智超［7］通過數(shù)值模擬研究了錨噴厚度和開挖速度對軟弱圍巖的變形影響，結(jié)果表明錨噴厚度對圍巖水平收斂影響微弱，而開挖速度在短期內(nèi)對圍巖變形影響明顯，對圍巖長期變形的影響較?。粭畛芍遥?］分析了隧道施工過程中圍巖變形規(guī)律，得出了不同圍巖等級、斷面尺寸和施工工法對隧道變形的影響。以上研究結(jié)果表明，隧道大變形是地應(yīng)力、地層巖性、支護(hù)強(qiáng)度、地質(zhì)構(gòu)造和施工因素等條件綜合作用的結(jié)果［9-10］。

部分學(xué)者認(rèn)為地應(yīng)力、地層巖性、支護(hù)強(qiáng)度等條件是高地應(yīng)力隧道大變形發(fā)生的主要原因，其中圍巖級別至關(guān)重要，支護(hù)強(qiáng)度次之［11-15］。為研究片理化玄武巖隧道大變形影響因素，本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對不同埋深、支護(hù)強(qiáng)度和圍巖級別條件下的圍巖變形進(jìn)行對比分析。研究了片理化玄武巖隧道的變形規(guī)律。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)情況

該隧道屬于滇藏鐵路控制工程，全長14 745 m，最大埋深為1 250 m，跨越1條斷裂帶，該斷裂帶受我國南北向地震帶影響較大，構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈。隧道圍巖主要為片理化玄武巖，結(jié)構(gòu)面呈張開狀，圍巖強(qiáng)度低。通過鉛直孔水壓致裂法測得隧道最大水平主應(yīng)力最大值為28.16 MPa，最大水平主應(yīng)力最小值9.35 MPa，屬于高地應(yīng)力區(qū)。

1.2 原隧道支護(hù)

該隧道的開挖工法為雙臺階法，隧道斷面為邊墻小曲率的A型襯砌斷面，初支采用厚22 cm的C25噴射混凝土，鋼拱架為間隔0.8 m的I18型工字鋼；二襯為厚度為45 cm的C35混凝土。

2 研究概況

2.1 大變形影響因素

該隧道施工過程中，部分區(qū)段大變形災(zāi)害嚴(yán)重，通過調(diào)查研究確定影響大變形的主要因素有：

（1）埋深大

隧道工程平導(dǎo)段平均埋深780 m，最大埋深1 050 m。該段實(shí)測地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)平均為1.74，最大水平地應(yīng)力平均為23.45 MPa。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

該隧道主洞室原設(shè)計(jì)為IV級錨噴I型支護(hù)，直墻圓拱洞形，鋼拱架強(qiáng)度較低，不能有效提高圍巖承載力，無法有效地控制圍巖擠壓性變形。

（3）圍巖破碎

隧道圍巖巖性以玄武巖（片理化）為主，節(jié)理、裂隙發(fā)育。結(jié)構(gòu)面填充物以綠泥石、蒙脫石為主，綠泥石遇水軟化嚴(yán)重。圍巖裂隙水較發(fā)育，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比小于0.12。

由以上分析可知，該隧道圍巖大變形的影響因素主要是埋深、支護(hù)強(qiáng)度和圍巖級別。本文借助FLAC3D分別研究不同埋深、支護(hù)強(qiáng)度和圍巖級別對大變形的影響效果。

2.2 建立模型

采用數(shù)值軟件FLAC3D建立計(jì)算模型，模型寬為隧道洞徑的7倍，約50 m，縱向深度為12 m，模型高50 m（實(shí)際隧道埋深較大，以施加地應(yīng)力模擬實(shí)際埋深）。模型邊界條件為：四周設(shè)置法向約束，底面設(shè)置全約束，頂面無約束。模型中圍巖采摩爾 - 庫倫準(zhǔn)則，網(wǎng)格單元采用彈塑性材料，初支和二襯的網(wǎng)格單元采用粘彈性材料。隧道開挖支護(hù)過程采用蠕變cpow模型進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 隧道模型圖

2.3 研究分組及計(jì)算參數(shù)

2.3.1 地應(yīng)力影響分析

該隧道埋深在600～1 000 m之間，分別對埋深600 m、800 m、1 000 m的隧道的圍巖變形和塑性區(qū)分布進(jìn)行比較分析。方案分組及各方案地應(yīng)力狀態(tài)如表1所示。

表1 不同埋深下地應(yīng)力狀態(tài)表

隧道圍巖為片理化玄武巖，初支為C25噴射混凝土+鋼拱架，混凝土厚度為22 cm，鋼拱架為I18型工字鋼；二襯為C35混凝土，厚度為45 cm，具體參數(shù)如表2所示。

表2 模型計(jì)算參數(shù)表

2.3.2 支護(hù)強(qiáng)度影響分析

根據(jù)原隧道支護(hù)設(shè)計(jì)，對3種不同的支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行研究，分析研究支護(hù)強(qiáng)度對隧道大變形的影響規(guī)律，分組如表3所示，計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表3 各方案支護(hù)參數(shù)表

表4 各支護(hù)方案計(jì)算參數(shù)表

2.3.3 圍巖級別影響分析

該段隧道圍巖主要為片理化玄武巖，巖性軟弱，物理力學(xué)性能極差，且裂隙水較為發(fā)育，屬于Ⅴ級圍巖。為研究不同圍巖級別下軟巖隧道變形規(guī)律，將該軟巖隧道圍巖取為Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖以及Ⅴ級圍巖（片理化玄武巖），研究分組及計(jì)算參數(shù)如表5所示。

表5 研究分組及圍巖計(jì)算參數(shù)表

2.4 監(jiān)測布置

監(jiān)測面設(shè)置在隧道中間部位，因隧道采用雙臺階法開挖，故在上、下臺階設(shè)置收斂測線，上臺階設(shè)置拱頂沉降測點(diǎn)，測點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 測點(diǎn)分布圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 地應(yīng)力影響分析

3.1.1 圍巖變形分析

提取拱頂沉降、上臺階收斂和下臺階收斂數(shù)據(jù)，繪制隧道變形量與埋深的關(guān)系特征曲線，如圖3所示。

圖3 不同埋深的圍巖變形特征曲線圖

由圖3可知，隧道各部位圍巖變形量隨隧道埋深增加而增大，基本呈線性上升。方案B拱頂沉降量為8.36 mm，較方案A增大59.85%；方案C拱頂沉降量為13.16 mm，較方案2增大57.41%；方案B上臺階水平收斂量為18.24 mm，下臺階水平收斂量為30.14 mm，較方案A分別增大38.71%和24.96%；方案C上臺階水平收斂量為25.23 mm，下臺階水平收斂量為37.10 mm，較方案2分別增大39.97%和23.10%。

3.1.2 圍巖塑性區(qū)分析

提取各組方案開挖支護(hù)完成后的塑性區(qū)范圍分布，如圖4所示。

圖4 不同埋深的塑性區(qū)分布圖

由圖4可知，支護(hù)完成后，圍巖塑性區(qū)出現(xiàn)在隧道附近，且圍巖塑性區(qū)范圍與隧道地應(yīng)力狀態(tài)呈正相關(guān)；圍巖塑性區(qū)分布范圍隨著地應(yīng)力不斷增加而持續(xù)擴(kuò)增；圍巖塑性區(qū)主要增大部位為隧道仰拱及邊墻處，方案C圍巖塑性區(qū)范圍最大；當(dāng)隧道埋深較大時(shí)，隧道主要破壞形式為剪切破壞。

綜上所述，地應(yīng)力是軟巖隧道變形影響的主要因素，隧道洞周圍巖變形量隨著隧道所受地應(yīng)力增大而增大，且圍巖變形量增大幅度基本相同；圍巖塑性區(qū)分布范圍隨著隧道埋深的增大而擴(kuò)大。

3.2 支護(hù)強(qiáng)度影響分析

3.2.1 圍巖變形分析

提取拱頂沉降、上臺階收斂和下臺階收斂數(shù)據(jù)，繪制監(jiān)測變形量與支護(hù)強(qiáng)度的關(guān)系特征曲線，如圖5所示。

圖5 不同支護(hù)強(qiáng)度的圍巖變形特征曲線圖

由圖5可知，監(jiān)測點(diǎn)變形量隨支護(hù)強(qiáng)度增強(qiáng)而減小。方案B拱頂沉降量為8.06 mm，與方案A相比減小20.67%，上臺階水平收斂量為18.23 mm，與方案A相比減小15.01%，下臺階水平收斂量為34.24 mm，與方案A相比減小14.08%；方案C拱頂沉降量為6.56 mm，與方案B相比減小18.61%，上臺階水平收斂量為14.41 mm，與方案B相比減小20.95%，下臺階水平收斂量為31.61 mm，與方案B相比減小7.68%；隧道洞周各部位圍巖變形量隨著隧道支護(hù)強(qiáng)度的增強(qiáng)而出現(xiàn)不同程度減小，上、下臺階水平收斂量顯著下降。

3.2.2 圍巖塑性區(qū)分析

提取各組方案開挖支護(hù)完成后的塑性區(qū)分布，如圖6所示。

圖6 不同支護(hù)強(qiáng)度的塑性區(qū)分布圖

由圖6可知，隧道洞周均出現(xiàn)了不同大小的塑性變形區(qū)域，方案3塑性分布區(qū)最小。圍巖塑性區(qū)范圍與支護(hù)強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，圍巖塑性區(qū)范圍內(nèi)剪切破壞的破壞范圍隨隧道支護(hù)強(qiáng)度增強(qiáng)而減小，且剪切破壞范圍逐漸向隧道靠近，圍巖塑性區(qū)輪廓隨支護(hù)強(qiáng)度增強(qiáng)而逐漸不均勻，圍巖塑性區(qū)減小部位主要集中在邊墻以及拱肩處。

綜上所述，軟巖變形受支護(hù)強(qiáng)度影響尤為明顯，隧道洞周各部位圍巖變形量隨著隧道支護(hù)強(qiáng)度的增強(qiáng)而以一定幅度減小，圍巖塑性區(qū)分布范圍隨著隧道支護(hù)強(qiáng)度加強(qiáng)而縮小。

3.3 圍巖級別影響分析

3.3.1 圍巖變形分析

提取拱頂沉降、上臺階收斂和下臺階收斂數(shù)據(jù)并繪制關(guān)系特征曲線，如圖7所示。

圖7 不同圍巖級別的圍巖變形特征曲線圖

由圖7可知，圍巖變形量受圍巖級別影響較大，圍巖各部位變形量隨著圍巖級別的提高而明顯提升；圍巖級別為Ⅴ級圍巖時(shí)，變形量提升最明顯；相較于方案A，方案B拱頂沉降量、上臺階水平收斂量和下臺階水平收斂量依次增大371.62%、199.54%和139.34%；相較于方案B，方案C拱頂沉降量、上臺階水平收斂量和下臺階水平收斂量依次增大191.12%、286.61%和299.89%；當(dāng)隧道所處圍巖級別提高時(shí)，隧道洞周各部位圍巖變形量不斷增大。

3.3.2 圍巖塑性區(qū)分析

提取各組方案開挖支護(hù)完成后的塑性區(qū)范圍分布，如圖8所示。

圖8 不同圍巖級別的塑性區(qū)分布圖

由圖8可知，隧道支護(hù)完成后洞周均出現(xiàn)了塑性變形區(qū)域。襯砌各部位圍巖塑性區(qū)范圍隨圍巖級別增大而擴(kuò)大，圍巖塑性區(qū)主要增大部位為隧道仰拱及邊墻處；圍巖塑性區(qū)范圍內(nèi)剪切破壞的破壞范圍隨之?dāng)U大；方案C圍巖塑性區(qū)范圍最大；隨著圍巖級別增大，圍巖塑性區(qū)輪廓逐漸均勻。

綜上所述，圍巖級別對隧道洞周圍巖變形量的影響十分明顯，隧道洞周各部位圍巖變形量隨圍巖級別增加而增大。圍巖塑性區(qū)分布范圍具有伴隨圍巖級別提升而擴(kuò)大的特征。

4 結(jié)論

本文依托某隧道片理化玄武巖段，通過數(shù)值模擬分別對不同埋深、支護(hù)強(qiáng)度和圍巖級別下的圍巖變形進(jìn)行分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）在該片理化玄武巖隧道施工過程中，由于圍巖軟弱、地應(yīng)力高、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，隧道支護(hù)過程中沿洞周出現(xiàn)了塑性區(qū)；沿圍巖深度方向，塑性區(qū)不斷將應(yīng)力向彈性區(qū)轉(zhuǎn)移；沿洞內(nèi)方向，塑性區(qū)不斷變形以降低所承受的應(yīng)力，圍巖產(chǎn)生較大的變形。

（2）從地應(yīng)力方面來看，當(dāng)?shù)貞?yīng)力增大時(shí)，洞周圍巖變形量提升明顯，基本呈線性增加；圍巖塑性區(qū)分布范圍伴隨地應(yīng)力增大而擴(kuò)大，圍巖塑性區(qū)主要增大部位為隧道仰拱及邊墻處。

（3）從支護(hù)強(qiáng)度方面來看，隧道洞周圍巖變形量隨著圍巖支護(hù)強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小；圍巖塑性區(qū)分布范圍伴隨支護(hù)強(qiáng)度加強(qiáng)而縮小，圍巖塑性區(qū)減小部位主要集中在邊墻以及拱肩處。

（4）從圍巖級別方面來看，圍巖變形量受圍巖級別影響較大，圍巖各部位變形量隨著圍巖級別的提高而明顯提升，圍巖塑性區(qū)分布范圍伴隨圍巖級別提高而擴(kuò)大。