高地應(yīng)力隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)作用研究

代超龍，張志強(qiáng)，尚明源

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

高地應(yīng)力對(duì)巖土工程的影響是顯著的,尤其對(duì)于穿越大、埋深軟弱圍巖地下工程,如深埋采礦巷道、鐵路和公路隧道等[1]。與一般軟巖隧道相比，大斷面高地應(yīng)力軟巖隧道具有圍巖位移顯著且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、成洞性差、易發(fā)生塌方等特點(diǎn)，在隧道施工過(guò)程中多發(fā)生初期支護(hù)混凝土的開裂、掉塊，支護(hù)鋼架的變形錯(cuò)斷等現(xiàn)象，施工比較困難[2]。

目前，諸多學(xué)者雖然對(duì)高地應(yīng)力隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在圍巖變形及應(yīng)力分布方面進(jìn)行了一些研究，如王建宇[2]等從地層特征曲線和支護(hù)-圍巖相互作用出發(fā)，闡述了可讓式支護(hù)的原理并給出了相關(guān)的設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)；靳曉光[3]等針對(duì)高地應(yīng)力深埋隧道工程采用數(shù)值模擬，分析隧道掌子面推進(jìn)過(guò)程中的圍巖空間應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)和演化趨勢(shì)；李樹軍[4]針對(duì)龍溪隧道大變形的特點(diǎn)及機(jī)理，確定了大變形地段安全、經(jīng)濟(jì)、合理的支護(hù)參數(shù)；張德華[5]等對(duì)三臺(tái)階七步法施工高地應(yīng)力隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性分析；黃鴻健[6]結(jié)合鎮(zhèn)堡隧道，采用數(shù)值模擬進(jìn)行施工的圍巖變形預(yù)測(cè)，并與實(shí)測(cè)變形結(jié)果做了對(duì)比。然而這些方法均沒有考慮時(shí)空效應(yīng)及施加錨桿對(duì)圍巖變形的控制作用，在此，本文采用Flac3D三維有限差分模型對(duì)高地應(yīng)力隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)作用進(jìn)行研究，為高地應(yīng)力隧道安全施工提供了有力參考，保證了隧道施工安全，具有重要的工程應(yīng)用意義。

1　隧道施工過(guò)程滲流場(chǎng)數(shù)值分析

1.1　工程概況

大相嶺隧道位于四川省雅安市滎經(jīng)縣和漢源縣交界處的大相嶺高中山區(qū)(圖1)，左線K53+804～K63+750，長(zhǎng)9 946 m，進(jìn)口高程約為1 526.54 m，出口高程為1 540.41 m；右線YK53+773～YK63+780，長(zhǎng)10 007 m，進(jìn)口高程為1 525.88 m，出口高程為1 540.21 m。采用人字坡穿越大相嶺嶺脊，進(jìn)口至左線K58+650 m(右線為YK58+650 m)設(shè)計(jì)縱坡0.75 %，左線K58+650 m(右線為YK58+650 m)至出口設(shè)計(jì)縱坡-0.5 %。隧道穿越段最大埋深約1 660 m，屬于深埋特長(zhǎng)越嶺公路隧道。

圖1　大相嶺隧道交通位置

1.2　計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)隧道的結(jié)構(gòu)特征和工程地質(zhì)特征建立三維數(shù)值力學(xué)模型，計(jì)算模型的邊界范圍按如下要求選?。核椒较蜃运淼乐行木€至模型邊界取60 m；垂直方向自隧道底部向下約22 m；模型向上取至地表，地表距隧道頂面約為40 m；模型沿隧道縱向取60 m。模型共有20 544個(gè)節(jié)點(diǎn)，23 049個(gè)單元，模型網(wǎng)格劃分見圖2，支護(hù)示意如圖3所示。

圖2　整體模型

圖3　連續(xù)性圍巖錨桿支護(hù)方案設(shè)計(jì)

圍巖參數(shù)參考地質(zhì)勘查報(bào)告和現(xiàn)行TB 10003-2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《隧規(guī)》)，錨桿采用樁單元，錨桿長(zhǎng)度8 m，初期支護(hù)25 cm，二次襯砌50 cm。，具體參數(shù)分別見表1，其中錨桿計(jì)算參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定。

1.3　原始地應(yīng)力場(chǎng)的模擬

在深埋隧道中地應(yīng)力與一般的淺埋地應(yīng)力情況不同，深埋隧道的地應(yīng)力受到構(gòu)造應(yīng)力、與重力的雙重影響十分復(fù)雜，而由于地應(yīng)力數(shù)值較大，如果模擬不準(zhǔn)確，則可能對(duì)結(jié)果產(chǎn)生很大影響。因此，原始地應(yīng)力場(chǎng)的模擬在高地應(yīng)力下顯得尤為重要。高地應(yīng)力條件下隧道的埋深往往很大，與以往計(jì)算所采用的直接把模型建至地表不同，埋深大的情況下考慮計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性和可行性只能截取部分巖體計(jì)算，所以，在邊界設(shè)置時(shí)上邊界為應(yīng)力邊界，左右邊界及下邊界為位移邊界。

表1　圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

圖4　地層最大主應(yīng)力云圖(單位：N)

由圖4可知，經(jīng)過(guò)應(yīng)力初始化后模擬的地應(yīng)力場(chǎng)的各個(gè)主應(yīng)力值在隧道開挖區(qū)與工程勘測(cè)的隧區(qū)地應(yīng)力值十分接近。因此地應(yīng)力條件符合工程實(shí)際隧區(qū)原始地應(yīng)力條件，在此初始條件下進(jìn)行開挖模擬可以更準(zhǔn)確地反映實(shí)際工程的情況。

1.4　計(jì)算結(jié)果分析

1.4.1圍巖洞周位移變化特征

在隧道開挖過(guò)程中，掌子面及其附近圍巖的變形具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，橫斷面、縱斷面豎向位移分別如圖5、圖6、表2。

圖5　掌子面前后豎向收斂曲線

圖6　掌子面前后邊墻水平收斂曲線

由圖5、圖6以及表2可知，目標(biāo)面空間開挖效應(yīng)相當(dāng)顯著。開挖斷面變形效應(yīng)影響其前后20 m范圍內(nèi)，拱頂下沉總共達(dá)338.8 mm，其中掌子面后方(可量測(cè)變形)沉降207.70 mm，大于《隧規(guī)》允許拱頂下沉值133.35 mm；拱腳水平相對(duì)凈空收斂總共達(dá)523.02 mm，其中掌子面后方(可量測(cè)變形)水平收斂472.28 mm，大于《隧規(guī)》允許最大拱腳水平相對(duì)收斂值294.48 mm。因此，隧道斷面預(yù)留變形量確定為300 mm(選取基準(zhǔn)：大于垂直和水平最大計(jì)算值294.48 mm)。

表2　隧道洞周位移統(tǒng)計(jì)表　mm

1.4.2掌子面擠壓變形特征

待挖核心土的失穩(wěn)和洞室的坍塌往往都不是單一出現(xiàn)的，一般發(fā)生洞室坍塌時(shí)，都是待挖核心土的失穩(wěn)在先，然后緊跟著洞室坍塌；在隧道掘進(jìn)過(guò)程中，待挖核心體的形變(預(yù)收斂變形和掌子面的擠壓變形)的發(fā)生優(yōu)先于洞室的收斂變形。待挖核心體的形變是地層形變的真正原因，待挖核心體的穩(wěn)定性決定了隧道的整體穩(wěn)定性。

從圍巖洞周位移變化特征可以明確得出：掌子面前方的變形占到掌子面后方(可量測(cè)變形)的12 %～63 %，因此掌子面的擠壓變形對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響很大。圖7為坐標(biāo)Y=30 m處掌子面隨原開挖推進(jìn)的擠壓變形曲線。

圖7　掌子面擠出變形隨開挖推進(jìn)曲線

從圖7可以明確看出：核心土擠壓變形隨著與工作面距離的減小迅速增加，當(dāng)距離大于5 m時(shí)，影響較小，基本上呈線性增加；當(dāng)開挖面與目標(biāo)面距離小于5 m時(shí)，影響迅速呈指數(shù)形式增加。

從圖8～圖9知，掌子面最大擠出變形為22 cm，掌子面擠出效應(yīng)相當(dāng)明顯。且基本上以掌子面中部偏下方變形值最大，在垂向上下基本呈對(duì)稱分布。從擠出變形的最大數(shù)值上可以容易看出：對(duì)于高地應(yīng)力軟巖地段，很有必要通過(guò)人為預(yù)加固措施來(lái)提高待挖核心體的剛度以減小待挖核心體的形變響應(yīng)(預(yù)收斂變形和掌子面的擠壓變形)，從而控制洞室的收斂變形。

圖8　隧道軸向擠出變形等值線(單位：m)

圖9　掌子面擠出變形(等值線及云圖)

如圖10分析可知：隧道的開挖使地層出現(xiàn)了臨空面和該臨空面上的應(yīng)力釋放，破壞了地層的初始應(yīng)力平衡，引起應(yīng)力的重分布；在這個(gè)過(guò)程中地層應(yīng)力是連續(xù)變化的，地層經(jīng)過(guò)應(yīng)力重分布達(dá)到二次應(yīng)力狀態(tài)或稱二次應(yīng)力場(chǎng)。一般來(lái)說(shuō)，二次應(yīng)力場(chǎng)是三維場(chǎng)，掌子面前方的圍巖對(duì)已開挖的圍巖具有某種程度上的縱、橫向支撐作用，也就是所謂的拱效應(yīng)?？v向拱效應(yīng)使掌子面前方一定距離外的圍巖壓力豎向荷載增加，縱向拱效應(yīng)在應(yīng)力云圖上表現(xiàn)為前方的豎向應(yīng)力增大，如前方一倍洞徑范圍內(nèi)的應(yīng)力集中。

圖10　掌子面周邊圍巖豎向應(yīng)力云圖

1.4.3錨桿軸力特征

在圍巖強(qiáng)度比較小的軟巖中，隧道周邊圍巖發(fā)生塑性化，需以內(nèi)壓效果和形成平衡拱效果為主。此時(shí)的錨桿由于其拉力而發(fā)揮阻止圍巖變形和塑性區(qū)擴(kuò)展的作用，顯示出控制松弛區(qū)域的發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)壓效果。由于錨桿呈放射狀布置，而使圍巖從單軸狀態(tài)約束成三軸狀態(tài)，成為不易破壞狀態(tài)，抑制圍巖內(nèi)塑性區(qū)的發(fā)生，防止凈空位移極度增大，隧道錨桿的軸力特征如圖11所示。

從軸力分布圖11來(lái)看8 m長(zhǎng)錨桿是合適的，可以抑制塑性區(qū)發(fā)展，保證隧道穩(wěn)定，其中邊墻錨桿的軸力達(dá)到10.01 t，最大軸力值位于距離洞周桿長(zhǎng)的1/3～1/2處。拱頂錨桿軸力7.3 t，可以抑制塑性區(qū)的發(fā)展，加強(qiáng)隧道的穩(wěn)定性，但是有效長(zhǎng)度只有3 m，因此拱部錨桿3 m就可以有效起到穩(wěn)定效果，從而降低工程造價(jià)，縮短工期。

圖11　隧道斷面錨桿軸力分布(單位：N)

從圖12中可以看出錨桿的法向剪力不大，均小于5 N，即在連續(xù)介質(zhì)中，能用錨桿軸向拉伸阻力抑制與其方向相同的圍巖的相對(duì)位移，但是不能用錨桿的剪切阻力抑制與其軸向垂直方向圍巖的相對(duì)位移。錨桿綜合提高圍巖的抗剪強(qiáng)度(峰值強(qiáng)度)，即使破環(huán)，但破壞后的殘余強(qiáng)度值仍然較高，故其效果預(yù)計(jì)是理想的。

2　結(jié)論

(1)預(yù)留變形量確定：對(duì)于高地應(yīng)力軟巖地段，宜通過(guò)預(yù)加固措施來(lái)提高待挖核心體的剛度以減小待挖核心體的形變響應(yīng)(預(yù)收斂變形和掌子面的擠壓變形)，從而控制洞室的收斂變形。因此，隧道斷面預(yù)留變形量確定為300 mm。

(2)深埋軟巖隧道掌子面擠出變形研究：核心土擠壓變形隨著與工作面距離的減小迅速增加，當(dāng)距離大于5 m時(shí)，影響較小，基本上呈線性增加；當(dāng)開挖面與目標(biāo)面距離小于5 m時(shí)，影響迅速呈指數(shù)形式增加。

(3)深埋隧道錨桿軸力分布規(guī)律：8 m長(zhǎng)錨桿是合適的，可抑制塑性區(qū)發(fā)展，保證隧道穩(wěn)定，其中邊墻錨桿的軸力達(dá)到10.01 t，最大軸力值位于距離洞周桿長(zhǎng)的1/3～1/2處。拱頂錨桿軸力7.3 t，可以抑制塑性區(qū)的發(fā)展，加強(qiáng)隧道的穩(wěn)定性，但是有效長(zhǎng)度只有3 m，因此拱部錨桿3 m就可以有效起到穩(wěn)定效果，從而降低工程造價(jià)，縮短工期。

圖12　隧道斷面錨桿剪力分布(單位：N)