隧道開挖對掌子面前方圍巖影響范圍研究

劉陽　蘇丹那

[摘 要]對于軟弱圍巖，由于地層條件較差，這就對隧道掌子面自身的穩(wěn)定提出了更高要求，而且掌子面的穩(wěn)定與否在施工中對整個隧道的穩(wěn)定也會產(chǎn)生重要影響。參考前人研究成果后，在Ⅴ、Ⅵ級圍巖條件下，以目前施工中最常用的臺階法為例，利用大型有限元軟件ANSYS，重點分析掌子面擠出變形發(fā)生發(fā)展規(guī)律，掌子面前方圍巖空間效應(yīng)區(qū)內(nèi)的位移、應(yīng)力的分布規(guī)律，從而得出了掌子面開挖對前方圍巖的影響范圍。

[關(guān)鍵詞]軟弱圍巖；臺階法；掌子面；施工效應(yīng)

[中圖分類號]U456.31 [文獻標識碼]A

隨著現(xiàn)在交通的迅速發(fā)展，地下工程項目修建數(shù)量日益增多，大量長大、深埋、偏壓隧道隨之不斷涌現(xiàn)。

圍巖是指受開挖影響而發(fā)生應(yīng)力狀態(tài)改變的隧道周圍巖土體。根據(jù)巖土體的物理力學(xué)性能，可將其分為硬巖和軟巖兩大類。軟弱圍巖由于其巖石強度低、巖體破碎、賦存環(huán)境差等特性，使其力學(xué)特征與一般的圍巖存在較大差異。研究軟巖隧道的變形機制，首先要研究軟弱圍巖的地質(zhì)、強度特征，以及與之相聯(lián)系的變形特性，并在此基礎(chǔ)上研究對工程施工的影響。隧道掌子面及其前方圍巖變形及應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律的研究，是掌子面穩(wěn)定性控制的理論基礎(chǔ)。

1 軟弱圍巖的地質(zhì)特征和變形特征

1.1 地質(zhì)特征

國內(nèi)外學(xué)者對軟弱圍巖的定義很多，大體上可分為描述性定義、指標化定義和工程定義，這三種定義方法各有優(yōu)缺點。目前，在實際研究中得到普遍接受的軟巖定義基本上可歸于描述性范疇。

按地質(zhì)學(xué)的巖性劃分，地質(zhì)軟巖是指強度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量泥質(zhì)、炭質(zhì)、膨脹性黏土礦物的松、散、軟、弱巖層，該類巖石多為泥巖、頁巖、千枚巖等單軸抗壓強度小于25 MPa的巖石，是天然形成的地質(zhì)介質(zhì)。工程軟巖是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體，具有強度低、結(jié)構(gòu)松散等低強度的特點，承受荷載的能力極低。這兩種軟巖在地應(yīng)力水平（或埋深）較高的條件下，施工過程中容易產(chǎn)生威脅隧道安全的大變形。

1.2 變形特征

軟弱圍巖以塑性和流變變形為主，不僅初期的變形速度快，而且延續(xù)時間長，具有明顯的流變特征。綜合分析大多隧道開挖后的變形規(guī)律，軟弱圍巖隧道施工經(jīng)常出現(xiàn)以下問題：拱頂下沉較為明顯，掌子面擠出甚至崩塌，底板鼓出嚴重，隧道開挖后變形在較長時間內(nèi)不收斂，初期支護變形嚴重，在富水條件下出現(xiàn)大量涌水與圍巖流失等。

綜合上述，隧道穿越軟弱圍巖地質(zhì)條件時，如果任其變形發(fā)展最終可能會造成掌子面崩塌失穩(wěn)、拱部坍塌等各種穩(wěn)定性問題。

2 掌子面及其前方圍巖施工效應(yīng)分析

隧道施工應(yīng)力和變形規(guī)律發(fā)展可通過現(xiàn)場實測、室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬等手段獲取。而數(shù)值模擬由于實施方便、成本低、節(jié)省時間，易于大量開展。本文將運用有限元數(shù)值模擬手段，對軟弱圍巖隧道掌子面及其前方應(yīng)力、變形演化機制及其時空分布規(guī)律進行研究。

2.1 工況及計算模型

采用三維數(shù)值方法分別對單線和雙線隧道，參照時速200 km/h客貨共線隧道斷面尺寸，動態(tài)模擬臺階法施工過程，計算中臺階長度分別為：上臺階9 m、下臺階9 m。圍巖級別分別考慮了Ⅴ、Ⅵ兩種情況，埋深300 m。計算模型如圖1所示。

計算模型中，為減少邊界約束效應(yīng)，計算范圍按左右邊界距隧道中心線距離不小于4倍洞徑考慮，底部邊界距隧道底部的距離按不小于3倍隧道高度考慮。側(cè)面及底部邊界采用位移邊界條件，頂部采用應(yīng)力邊界以模擬埋深條件（頂部施加自重應(yīng)力場）。

2.2 位移發(fā)展規(guī)律

以開挖結(jié)束后的掌子面位置斷面為監(jiān)控面，以雙線隧道為例，在距離監(jiān)控面5 m時，Ⅴ、Ⅵ級圍巖的上臺階監(jiān)控面擠出變形已經(jīng)達到了終值的21%、28%，下臺階先行擠出變形分別達到了終值的63%、69%，下臺階先行擠出變形較顯著。在開挖至監(jiān)控面較遠距離時，下臺階擠出變形增長較快，而后期上臺階擠出變形增長更明顯。

圖2為典型工況下（Ⅵ級圍巖）掌子面擠出變形分布特征。可以看出上臺階最大擠出變形發(fā)生在掌子面中部偏下位置，下臺階最大擠出變形發(fā)生在臺階頂部。

為了更直觀地了解掌子面前方核心圍巖擠出變形的影響范圍，上下臺階分別沿隧道軸向建立兩條路徑，將其擠出位移值映射在路徑上。

由路徑結(jié)果圖4可以看出，在掌子面前方較近的范圍內(nèi)擠出變形迅速下降，以雙線隧道為例，上臺階前方1.5倍洞跨左右時，上下臺階前方擠出變形量值基本相等，并都趨于平穩(wěn)，變形量值約為終值5%左右，我們將這個距離定義為掌子面擠出變形在前方核心圍巖的影響距離。

3 小結(jié)

（1）隧道施工過程中擠出變形在掌子面前方已經(jīng)發(fā)生，且圍巖條件越差先行變形的比例越高。

（2）掌子面擠出變形在很大程度上受斷面尺寸、圍巖特性影響，其中圍巖條件對掌子面最終擠出變形的影響更大，全斷面法中掌子面擠出變形最大的位置都發(fā)生在中部偏下的位置；臺階法時出現(xiàn)在上臺階中下部和下臺階中上部。

（3）開挖卸載對Ⅴ、Ⅵ級圍巖掌子面前方的范圍較大，掌子面前方圍巖擠出變形不容忽視，而Ⅳ級圍巖影響深度相對較小。掌子面開挖的空間效應(yīng)對圍巖應(yīng)力水平的影響范圍比對變形的影響范圍更大。開挖面在推進過程中，掌子面前方開挖應(yīng)力的釋放問題較為復(fù)雜，位移的延遲發(fā)生較明顯。

[參考文獻]

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