軟弱圍巖時效變形特性對石林隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性的影響分析

■陳 翔

（三明福銀高速公路有限責(zé)任公司養(yǎng)護(hù)中心，三明 365000）

0 引言

福建省是一個多山地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，使得高速公路隧道的修建很難避免穿越具有顯著時效變形特征的軟巖區(qū)域[1]。隧道圍巖的時效變形特性，不僅會造成施工期間經(jīng)常會發(fā)生拱頂坍塌、底鼓、突水、涌泥等地質(zhì)災(zāi)害，而且還會造成運(yùn)營期間隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的開裂、滲水、甚至坍塌等穩(wěn)定性問題，嚴(yán)重影響著高速公路隧道的安全運(yùn)營[1-5]。

永寧高速公路是福建省永安至寧化高速公路國家規(guī)劃的重點干線公路“泉州至南寧”的重要組成部分，是東部沿海地區(qū)通往中部地區(qū)重要的省際通道，也是一條重要的國防交通干線和快速入閩通道[2]。永寧高速公路的石林隧道圍巖具有典型的軟巖時效大變形特征，不僅施工期間出現(xiàn)過多次地質(zhì)災(zāi)害，而且貫通運(yùn)營至今隧道襯砌結(jié)構(gòu)局部已出現(xiàn)裂縫和底鼓現(xiàn)象，潛在影響著隧道的安全運(yùn)營[1-5]。

1 永寧高速石林隧道工程概況

永寧高速公路石林隧道距永安市區(qū)約8km，隧道長2865m，最大開挖斷面約110m2，最大埋深約為320m。石林隧道位于地質(zhì)條件復(fù)雜的山嶺，不僅構(gòu)造應(yīng)力作用較強(qiáng)，而且工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，例如：受斷層帶和褶皺等地質(zhì)構(gòu)造和地下水的影響，巖體破碎，節(jié)理發(fā)育，力學(xué)強(qiáng)度低，具有顯著的時效變形特征[4]。

石林隧道開挖施工期間，YK14+260～YK14+320段受軟弱圍巖大變形的影響，連續(xù)發(fā)生多次突泥涌水事故，導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)發(fā)生拱頂沉降、坍塌、底鼓和二襯開裂等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重困擾著施工安全和影響工期。事后結(jié)合地質(zhì)條件、災(zāi)害特征、現(xiàn)場監(jiān)測和試驗成果，分析產(chǎn)生上述災(zāi)害的機(jī)理，提出了相應(yīng)的圍巖加固措施和改進(jìn)的施工工藝，控制了軟弱圍巖大變形對隧道施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)和施工工期的影響[4]。2011年6月至8月福州大學(xué)對該段的監(jiān)測結(jié)果表明，仰拱隆起位移總體較小，隆起現(xiàn)象不明顯；大部分?jǐn)嗝嬉r砌拱頂處表面受拉、拱腰處受壓以及邊墻處受拉，應(yīng)變值在10-5數(shù)量級以內(nèi)，開裂的裂縫寬度變化微小，短期沒有進(jìn)一步發(fā)展的跡象[5]。

以往的研究成果大都從隧道施工現(xiàn)場存在的問題出發(fā)，研究軟弱圍巖變形特性對隧道穩(wěn)定性的影響，很少從運(yùn)營期間或設(shè)計服務(wù)年限角度研究軟巖時效變形特性對隧道結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性的影響[1-9]。本文以福建永寧高速公路的石林隧道為例，著重分析軟巖時效變形特性對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性的影響。

2 石林隧道數(shù)值計算模型概述

2.1 石林隧道的幾何模型

鑒于應(yīng)力越高軟巖的時效變形特性越顯著的特點，石林隧道埋深選取其最大埋深即320m。依據(jù)石林隧道的設(shè)計和地質(zhì)資料，采用FLAC3D巖土工程數(shù)值計算軟件，建立了石林隧道的數(shù)值計算模型，如圖1所示。其中平面模型水平寬100m，豎向高110m，隧道軸線方向為單位長度；隧道位于模型的中央，隧道跨度為12.52m，未建立的覆巖以均布面壓力考慮；初襯厚0.28m，二襯厚45cm，隧道起拱段以上累計施加23根3.5m長的全長粘結(jié)錨桿，如圖2所示。

圖1 石林隧道數(shù)值計算模型

圖2 石林隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 隧道巖體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)

數(shù)值計算模型中石林隧道圍巖分別選取理想彈塑性和粘塑性cvisc蠕變本構(gòu)模型，用以表征開挖階段和運(yùn)營階段圍巖的力學(xué)特性。混凝土初襯、鋼筋混凝土二襯、回填混凝土和錨桿均采用理想彈塑性本構(gòu)模型，其中以等效提高初襯和二襯混凝土力學(xué)強(qiáng)度的方法來近似反應(yīng)鋼拱架和鋼筋的作用。參考石林隧道地質(zhì)資料及相關(guān)文獻(xiàn)，選取石林隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表1至表3所示。

表1 隧道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)表[2,3]

表2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)表[2,3]

表3 隧道錨桿的物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 數(shù)值計算模型邊界條件及數(shù)值模擬過程概述

石林隧道數(shù)值計算模型兩側(cè)及底部采用面外法線方向位移約束邊界條件，模型頂部施加6.5MPa的均布面壓力表征未建立覆巖的影響。地層水平側(cè)壓力系數(shù)取1.25。重力加速度大小為9.8m/s2，方向為豎向向下。約束整個模型平面外法線方向的位移使之簡化為平面應(yīng)變問題。

數(shù)值模擬過程大致分為三步，首先，進(jìn)行初始應(yīng)力場作用下的靜力平衡模擬；其次，將模型變形場清零，進(jìn)行隧道斷面開挖支護(hù)的模擬；最后，給定隧道圍巖為粘塑性蠕變本構(gòu)模型，進(jìn)行隧道的長期穩(wěn)定性模擬。

3 圍巖時效變形特性對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性的影響分析

以下將從隧道靜力開挖支護(hù)穩(wěn)定和隧道不同運(yùn)營時間狀態(tài)下，對比分析隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形場、應(yīng)力場、塑性破壞區(qū)域的變化規(guī)律，探究軟弱圍巖時效變形特性對隧道結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性的影響。

3.1 塑性破壞區(qū)域分析

不同運(yùn)營時刻下隧道襯砌結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布圖（圖3）直觀地表明，隧道斷面開挖支護(hù)穩(wěn)定后（t=0時刻），只有初襯與圍巖接觸面附近發(fā)生塑性屈服，屈服區(qū)域甚小。隨隧道運(yùn)營年限的增加，隧道二襯混凝土逐漸產(chǎn)生拉剪屈服，且屈服范圍隨之增大的趨勢。例如：當(dāng)隧道運(yùn)營t=5年時，隧道拱底和左右邊墻開始出現(xiàn)塑性屈服；當(dāng)t=10年時，左側(cè)邊墻塑性區(qū)基本貫通混凝土襯砌，且左右邊坡塑性屈服區(qū)域具有不對稱性；當(dāng)t=40年時，隧道左右邊墻的塑性區(qū)已完全貫通混凝土襯砌，同時隧道拱頂出現(xiàn)大面積塑性屈服區(qū)域且已基本貫通混凝土襯砌；當(dāng)t=100年時，隧道左右邊墻、拱頂、拱底的塑性區(qū)較t=40年有不同程度的增大?？梢?，從不同運(yùn)營年限的混凝土襯砌塑性區(qū)分布規(guī)律可知，軟弱圍巖的時效大變形特性對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性具有顯著的影響。

圖3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的塑性區(qū)分布圖

3.2 應(yīng)力場分析

不同運(yùn)營時刻下的最大主應(yīng)力分布圖（圖4）清晰地表明，隨隧道運(yùn)營年限的增加，隧道混凝土襯砌由開挖支護(hù)穩(wěn)定后的較為均勻的受力狀態(tài)，逐漸發(fā)展到隧道拱底、左右邊墻和拱頂出現(xiàn)顯著的拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力區(qū)的位置、分布面積及先后出現(xiàn)的時刻均與上述混凝土襯砌塑性區(qū)隨運(yùn)營時間變化規(guī)律相一致。圖5給出了二襯混凝土拱頂、左右邊墻和拱底四個關(guān)鍵位置處的最大主應(yīng)力時程曲線，從中可知在在隧道運(yùn)營期間，四處位置均出現(xiàn)了顯著的拉應(yīng)力狀態(tài)，且拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)先后均與各自塑性區(qū)出現(xiàn)時機(jī)相一致。

圖4 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力分布圖(單位kPa)

圖5 隧道襯砌結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點的最大主應(yīng)力時程曲線圖

不同時刻下錨桿軸力分布圖（圖6）和左右邊墻和拱頂錨桿時程曲線圖（圖7）表明，隨隧道運(yùn)營時間的增加，隧道錨桿軸力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)運(yùn)營時間在20年至60年之間時，隧道錨桿處于較高的工作內(nèi)力狀態(tài)，最大工作內(nèi)力是其破斷力的75%左右，且在隧道100年的運(yùn)營時間內(nèi)，軸力較大的錨桿均位于在上述產(chǎn)生顯著塑性屈服的左右邊墻和拱頂位置。因此，從混凝土襯砌應(yīng)力和錨桿軸力分布規(guī)律角度還可進(jìn)一步驗證圍巖時效變形特性對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)長時穩(wěn)定性的顯著影響。

3.3 變形場分析

不同時刻下的混凝土襯砌位移云圖（圖8）和圖9所示四個關(guān)鍵監(jiān)測點的位移時程表明，隨隧道運(yùn)時間的增加，隧道拱底、左右邊墻和拱頂四個關(guān)鍵位置開始出現(xiàn)不同程度的變形集中區(qū)，位移集中變形區(qū)域與相同時刻下塑性區(qū)和最大主應(yīng)力分布區(qū)域相同，且相同時刻下隧道對稱位置的變形量卻呈現(xiàn)明顯的不對稱性，變形量由大到小的區(qū)域依次為隧道拱頂、左側(cè)邊墻、右側(cè)邊墻、拱底。

圖6 隧道錨桿軸力分布圖(單位kN)

圖7 隧道關(guān)鍵位置錨桿軸力時程曲線圖

4 結(jié)論

綜上基于軟弱圍巖時效變形特性的石林隧道襯砌長期穩(wěn)定性的數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，無論是從混凝土襯砌的塑性屈服、應(yīng)力場、位移場、錨桿內(nèi)力的分布規(guī)律，還是隧道關(guān)鍵位置的時程曲線變化規(guī)律，均表明軟弱圍巖的時效變形特性顯著影響著隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性，實際工程設(shè)計不能忽視圍巖時效變形特性對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性的影響，實際施工過程中應(yīng)采取諸如注漿加固改善圍巖力學(xué)特性的方法，提高圍巖的整體強(qiáng)度，減少甚是消除圍巖時效變形對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，保證隧道結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營設(shè)計年限，否則會導(dǎo)致隧道混凝土襯砌開裂、錨桿破斷、隧道坍塌等工程事故。隧道運(yùn)營期間應(yīng)加強(qiáng)對隧道結(jié)構(gòu)的連續(xù)監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)災(zāi)害前兆，進(jìn)而便于采取相應(yīng)的處理措施。

圖8 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的總位移云圖（單位m）

圖9 隧道襯砌結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點的總位移時程曲線圖

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