軟弱圍巖掌子面擠出變形影響因素分析

楊柳 劉陽

摘 要：通過工程實踐表明，在軟弱圍巖隧道施工過程中，掌子面擠出變形非常明顯，最新的研究結(jié)果顯示，掌子面擠出變形對隧道的穩(wěn)定性有很大影響。本文以臺階法為例，考慮Ⅴ、Ⅵ級軟弱圍巖，對影響掌子面擠出變形量的主要因素，包括圍巖級別、埋深、地應力組合狀態(tài)等進行有限元計算分析，從而對現(xiàn)場施工提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖；臺階法；掌子面；擠出變形

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.076

0 引言

隨著我國高速鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，為了克服客運專線上高速列車在隧道內(nèi)運行所引起的空氣動力學問題，客運專線上的隧道基本采用雙線鐵路隧道通過，這些隧道軌面以上的凈空面積為100 m2以上，開挖斷面積都在150 m2以上[1]。

掌子面及其前方圍巖，對隧道的穩(wěn)定性有很大的影響，因此維護掌子面的穩(wěn)定至關(guān)重要，但是由于隧道掌子面是施工最集中的地方，通常會受到很多的擾動，由于人們對掌子面的擠出變形不夠重視，引起了很多安全問題。許多隧道在開挖后施工施做支護之前，出現(xiàn)了掌子面塌方，而在初期支護完成后，圍巖又出現(xiàn)大變形，變形持量不收斂，表現(xiàn)為初期支護混凝土破裂、鋼拱架扭曲[2]。

1 工況及計算條件

利用大型有限元計算軟件ANSYS，參照時速200 km/h客貨共線隧道標準斷面尺寸，采用數(shù)值模擬的方法分別對單線和雙線隧道，施工方法采用目前現(xiàn)場應用比較廣泛的臺階法，計算中臺階長度上臺階和下臺階都為8m。地質(zhì)條件為Ⅴ、Ⅵ圍巖兩種情況，埋深300 m。計算模型如圖1所示。

在軟弱圍巖中，經(jīng)過實踐表明，導致掌子面發(fā)生擠出變形的主要影響因素是：相對較高地應力和較差的地質(zhì)條件。而地應力與埋深關(guān)系比較大，并且在具體施工中，掌子面的開挖尺寸也是對掌子面擠出變形影響較大的一個重要因素。因此，在分析中要全面考慮這些影響因素的作用。綜上所述，具體分析工況如下：

（1）圍巖級別影響效應。軟弱圍巖從圍巖級別上大多屬于Ⅴ、Ⅵ級圍巖，這類圍巖強度低，變形持續(xù)時間長，尤其是工程擾動對它的影響極其明顯。在掌子面范圍內(nèi)，不能形成明顯的承載拱，塑性區(qū)使圍巖松動范圍較大，從而引起較大的掌子面擠出變形。當然對部分大斷面隧道工程，由于開外尺寸的影響，Ⅳ級圍巖也有可能會產(chǎn)生這些問題。

綜上所述，在數(shù)值模擬計算中，我們考慮了Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ三個圍巖級別的不同工況，為了排除其他因素的影響，埋深統(tǒng)一按300m計算，地應力水平考慮重力場。

（2）埋深影響效應。較大的隧道埋深往往會引起圍巖壓力的增加，同時也會對初始應力場產(chǎn)生很大影響。這些都會引起較大的掌子面擠出變形，從而對隧道的穩(wěn)定性很不利，因此埋深也是我們要考慮的主要因素之一。

為了排除其他因素的影響，我們在計算中只考慮Ⅴ級圍巖隧道，為了區(qū)別不同的開挖尺寸，單、雙線隧道分別進行研究，按100 m、300 m、500 m三種埋深計算。

（3）不同地應力組合狀態(tài)影響效應。工程實踐表明，水平地應力水平也是掌子面穩(wěn)定性的影響因素之一。在計算模型中，豎直應力場只考慮自重應力場，而水平地應力系數(shù)組合工況如表1所示（表中λ1為橫向水平地應力系數(shù)，λ2為縱向水平地應力系數(shù)），為了排除其他因素的影響，圍巖級別我們只考慮按Ⅴ、Ⅵ級圍巖，而埋深統(tǒng)一確定為300m，并且只考慮雙線隧道。

2 計算結(jié)果分析

2.1 圍巖級別影響效應

只考慮圍巖級別時，單雙線隧道，臺階法施工中不同圍巖級別隧道掌子面擠出變形最終變形量的數(shù)值計算結(jié)果如表2所示。此時隧道的埋深都是統(tǒng)一的300m。

通過計算結(jié)果我們可以得出，當圍巖較穩(wěn)定時，無論單線還是雙線，掌子面擠出最終變形量不明顯。而圍巖較軟弱時，例如Ⅴ、Ⅵ級圍巖掌子面擠出變形增長較快，尤其是開挖尺寸較大時，更為明顯。

2.2 埋深影響效應

當圍巖級別相同時，我們只考慮不同埋深下，不同開挖尺寸隧道掌子面最終擠出變形量。計算結(jié)果如表3所示。

從數(shù)值模擬計算結(jié)果可以看出，當臺階法施工時，上下臺階的掌子面擠出變形與埋深均成正比增長關(guān)系，隧道埋深對掌子面穩(wěn)定性的影響要若于圍巖級別，這說明地質(zhì)條件對掌子面是很重要的，這在不同開挖尺寸時都有體現(xiàn)，相對來說，埋深的影響雙線隧道要更明顯一些。

2.3 地應力組合形態(tài)影響效應

在分析地應力組合形態(tài)影響效應時，為了減小工作量，我們只考慮雙線隧道，各工況計算結(jié)果見表4。

不同的工況組合，代表不同的水平和軸向地應力水平，具體工況見表1。通過對數(shù)值模擬計算結(jié)果的分析表明，當?shù)刭|(zhì)條件和隧道的埋深都一致時，掌子面最終的擠出變形量與水平地應力水平成正比。但是，分別分析橫向和縱向可以看出，當橫向地應力變化時，對掌子面擠出影響不明顯，而軸向地應力則不同。

3 小結(jié)

（1）圍巖級別越高，掌子面擠出變形的數(shù)值越大，兩者成正比例關(guān)系。相對來說，Ⅵ級圍巖掌子面擠出變形并不明顯，還處于安全范圍，而Ⅴ、Ⅵ級圍巖掌子面擠出變形數(shù)值較大，需要引起足夠重視，否則可能引起掌子面失穩(wěn)等災害。

（2）埋深對掌子面擠出變形的影響也很明顯，其影響程度僅次于圍巖級別，這在單線和雙線隧道中情況是類似的。在臺階法施工時，上下兩個臺階受埋深影響都很大，尤其是上臺階尤其要注意埋深的影響。對于不同的開挖尺寸來說，雙線隧道要比單線隧道更明顯一些。所以開挖尺寸越大，越要加強這方面的監(jiān)測。

（3）當?shù)刭|(zhì)條件和埋深都相同時，水平地應力的影響也很明顯，擠出變形和水平地應力水平呈正比例關(guān)系。計算表明，在不同地應力組合狀態(tài)下，擠出變形的數(shù)值也有一定區(qū)別，橫向地應力和縱向地應力組合出不同工況，可以得到隧道掌子面擠出變形受軸向地應力水平影響較大，而受橫向地應力影響較小。

（4）綜上所述，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到各因素對于掌子面擠出最終變形量值的影響程度，由大到小可以依次為：圍巖級別、水平地應力、埋深。

參考文獻：

[1]趙東平，王明年.客運專線超大斷面隧道施工過程三維力學分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2005，17（04）：20-24.

[2]卿三惠，黃潤秋.烏鞘嶺特長隧道軟弱圍巖大變形特性研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2005，17（04）：85-88.

作者簡介：楊柳（1982-），女，河南鄲城人，本科，講師，研究方向：建筑工程技術(shù)。