初始水平地應(yīng)力對(duì)高地應(yīng)力隧道施工穩(wěn)定性的影響

賴(lài)孝輝

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

高地應(yīng)力一般指初始應(yīng)力中的水平初始應(yīng)力分量大于上覆圍巖產(chǎn)生的自重應(yīng)力分量的情況，且與巖體的荷載強(qiáng)度比有關(guān)[1]。當(dāng)隧道埋深較大且位于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁的區(qū)域時(shí)，會(huì)普遍出現(xiàn)高地應(yīng)力現(xiàn)象。高地應(yīng)力隧道開(kāi)挖后，因受到擠壓、卸荷等因素的綜合作用，圍巖常出現(xiàn)松動(dòng)、開(kāi)裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)導(dǎo)致巖爆或大變形等災(zāi)害[2]。

近年來(lái)，大量學(xué)者對(duì)高地應(yīng)力硬巖隧道的力學(xué)機(jī)理和圍巖穩(wěn)定性展開(kāi)了研究。吳文平[3]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值分析等方法，建立了全面且實(shí)用的深埋硬巖隧洞圍巖破壞模式的分類(lèi)方法，并在錦屏II級(jí)水電站地下隧洞得到了應(yīng)用；李建興[4]等利用能量理論，對(duì)米倉(cāng)山隧道施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，探究了高地應(yīng)力硬脆性裂隙圍巖隧道的失穩(wěn)及結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理，并提出了相應(yīng)的解決措施；蘇利軍[5]等通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)不同埋深條件下的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到了不同埋深條件下硬巖圍巖的變形分布等多種特性，并使成果在引大濟(jì)湟工程中得到了應(yīng)用；趙宇松[6]等基于相似理論，進(jìn)行了雙孔并行隧道的模型試驗(yàn)工作，并分別用Mohr-Coulomb和Plastic-Hardening兩種本構(gòu)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了Plastic-Hardening模型更能反映實(shí)際工程中巖土體狀態(tài)的結(jié)論；陳景濤[7]等應(yīng)用彈-脆-塑性本構(gòu)模型，模擬了某水電站地下洞室群的開(kāi)挖過(guò)程，對(duì)位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)的演化過(guò)程進(jìn)行了分析。

同時(shí)初始水平構(gòu)造應(yīng)力也是影響高地應(yīng)力隧道圍巖穩(wěn)定性的重要因素[8]，針對(duì)該問(wèn)題，本文選取我國(guó)西部山區(qū)某一具有高地應(yīng)力特征的典型隧道，通過(guò)有限差分軟件FLAC3D，研究高地應(yīng)力硬巖隧道在施工期的受力與變形特征，并分析水平構(gòu)造應(yīng)力對(duì)隧道施工的影響。

1 工程概況

位于我國(guó)西部山區(qū)的某深埋特長(zhǎng)越嶺公路隧道，長(zhǎng)13 459 m，最大埋深達(dá)到1 468.93 m，隧道沿線(xiàn)斷層眾多，構(gòu)造作用強(qiáng)烈，隧址區(qū)內(nèi)廣泛分布以花崗巖與閃長(zhǎng)巖為主的硬質(zhì)巖漿巖，是典型的高地應(yīng)力硬巖隧道。其縱斷面圖如圖1所示。

圖1 隧道縱斷面

2 數(shù)值模擬

2.1 初始水平地應(yīng)力的施加

根據(jù)該隧道現(xiàn)場(chǎng)水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量成果，測(cè)得水平主應(yīng)力最大值為30 MPa，而地應(yīng)力反演的結(jié)果顯示，隧道軸線(xiàn)附近最大水平主應(yīng)力可達(dá)50 MPa，據(jù)此可將應(yīng)力值大小分為三個(gè)等級(jí)：20～30 MPa、30～40 MPa、40～50 MPa。故選取該隧道中埋深最大的斷面，分別施加初始水平地應(yīng)力20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa，利用有限差分軟件FLAC3D采用相應(yīng)的開(kāi)挖工法和支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 模型的建立

所建立模型如圖2所示，模型尺寸為100 m×48 m×100 m(長(zhǎng)×寬×高)。模型底面邊界和前后左右五個(gè)邊界均施加法向約束。圍巖視作均質(zhì)彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。圍巖、初期支護(hù)、二次襯砌、注漿加固圈采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，錨桿采用Cable單元模擬。開(kāi)挖采用上下臺(tái)階預(yù)留核心土法，開(kāi)挖進(jìn)尺為1 m，上下臺(tái)階的長(zhǎng)度為5 m，預(yù)留的核心土長(zhǎng)度為3 m。輔助工法采用錨桿支護(hù)，錨桿之間的縱向間距為0.8 m，環(huán)向間距為1 m。計(jì)算所涉及的圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖的變形特征

為研究圍巖的變形特征，提取隧道的位移云圖如圖3所示，當(dāng)隧道所受的初始水平應(yīng)力較小時(shí)，最大位移出現(xiàn)在隧道的拱頂和仰拱處，隨著初始水平應(yīng)力的增加，隧道最大位移所在位置逐漸向拱腰處移動(dòng)。當(dāng)初始水平應(yīng)力從20 MPa增加到30 MPa時(shí)，最大圍巖變形量從36.49 mm減小到33.50 mm，減小了8.19 %。當(dāng)初始水平地應(yīng)力從40 MPa增加到50 MPa時(shí)，圍巖的最大變形量從34.99 mm增加到45.97 mm，增長(zhǎng)了31.38 %。說(shuō)明隨著水平應(yīng)力的增加，拱頂處圍巖的位移受到約束，而拱腰部位的位移逐漸增大，在此過(guò)程中隧道周邊圍巖的最大變形值呈先減小后增加的趨勢(shì)。

(a)整體模型

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

(a)20MPa

3.2 圍巖的應(yīng)力特征

為了研究圍巖應(yīng)力隨施工過(guò)程的變化特征，以計(jì)算模型的中間截面為目標(biāo)斷面，監(jiān)測(cè)該斷面拱頂、拱肩、拱腰和仰拱處的最小主應(yīng)力數(shù)值隨施工步的變化情況。并繪制如圖4所示的主應(yīng)力變化曲線(xiàn)。

(a)20MPa最小主應(yīng)力隨荷載步的變化

可以看出，在距目標(biāo)斷面開(kāi)挖前4個(gè)荷載步，即距離目標(biāo)斷面8 m時(shí)，隧道的施工已經(jīng)對(duì)監(jiān)測(cè)斷面位置的圍巖應(yīng)力產(chǎn)生了顯著的影響。隧道上臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂和拱肩處的壓應(yīng)力迅速減小，主應(yīng)力大小顯著增加。拱腰處的最小主應(yīng)力有所降低，壓應(yīng)力向拱腰處的圍巖轉(zhuǎn)移。下臺(tái)階開(kāi)挖后，高地應(yīng)力隧道拱頂處圍巖內(nèi)部的壓應(yīng)力迅速增加，最小主應(yīng)力顯著降低；而拱腰處的壓應(yīng)力迅速降低，最小主應(yīng)力顯著增加。這說(shuō)明水平地應(yīng)力的分布在隧道拱腰處發(fā)生向拱頂處的偏轉(zhuǎn)，在拱頂位置出現(xiàn)壓應(yīng)力集中。

初始水平地應(yīng)力依次增加時(shí)，拱頂處的最小主應(yīng)力分別為-40.9 MPa、-62.8 MPa、-82.6 MPa和-100 MPa，近似呈線(xiàn)性的增長(zhǎng)。當(dāng)初始水平應(yīng)力為50 MPa時(shí)，拱頂處圍巖內(nèi)部的壓應(yīng)力接近巖體抗壓強(qiáng)度的極限值。因此在高地應(yīng)力硬巖隧道施工時(shí)要格外注意拱頂處的圍巖狀態(tài)，防止出現(xiàn)掉塊、冒頂?shù)葹?zāi)害，必要時(shí)應(yīng)采用錨桿和注漿等輔助工法從內(nèi)部加固巖體提高圍巖的承載能力。

3.3 圍巖的塑性區(qū)特征

提取圍巖的塑性區(qū)分布情況如圖5所示。由圖可知硬巖隧道開(kāi)挖后產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍不大，這是硬巖圍巖的彈性強(qiáng)度較高的緣故。且由于仰拱處承受由圍巖自重引起的更大的豎向應(yīng)力，而仰拱處隧道結(jié)構(gòu)的起拱線(xiàn)較為平緩，其曲率半徑較大，該結(jié)構(gòu)形式不利于承受?chē)鷰r壓力，因此在隧道仰拱下方出現(xiàn)了范圍更大的塑性區(qū)。

(a)20MPa

同時(shí)隨著水平初始應(yīng)力的增大，隧道周邊圍巖的塑性區(qū)范圍也有所增加，且當(dāng)水平初始應(yīng)力為50 MPa時(shí)，拱肩處的圍巖也產(chǎn)生了范圍較大的塑性變形。從前文可知，隧道拱頂處巖體內(nèi)部承受最大的壓應(yīng)力，但是拱頂處的圍巖幾乎沒(méi)有產(chǎn)生塑性變形。這是因?yàn)樵跀?shù)值計(jì)算過(guò)程中，拱頂處的圍巖采取了注漿加固的措施，使得該部分圍巖的力學(xué)特性得到了提升?？梢钥闯?，采用注漿等措施從內(nèi)部加固圍巖可以顯著提升圍巖的穩(wěn)定性，是保障施工安全的有效方法

3.4 二次襯砌內(nèi)力特征

二次襯砌的內(nèi)力也是反映隧道穩(wěn)定性的重要因素。根據(jù)下式(1)及式(2)求出二次襯砌混凝土截面的軸力和彎矩，并繪制如圖6所示的二次襯砌內(nèi)力分布圖。

(1)

(2)

式中：N和M分別為混凝土截面的軸力和彎矩；σ(x，y)為截面上正應(yīng)力的分布；l(xc，yc)為某一積分區(qū)域合力點(diǎn)到中和軸的距離。

(a)二次襯砌軸力

由圖6可知，二次襯砌內(nèi)部軸力全部為壓應(yīng)力，軸力較大的位置主要集中在拱頂和拱肩位置，拱腰和拱底處的軸力較小。隨著水平構(gòu)造應(yīng)力的增大，二次襯砌各點(diǎn)位置的軸力均不斷增加。當(dāng)初始水平應(yīng)力為20 MPa時(shí)，拱頂處的軸力大小為1 231.9 kN，當(dāng)初始水平應(yīng)力增加至50 MPa時(shí)，拱頂處的軸力為3 403.8 kN，增加了176.3 %。

規(guī)定以二次襯砌內(nèi)側(cè)受拉為彎矩的正方向，正彎矩出現(xiàn)在二次襯砌的拱頂、拱底和邊墻下部位置，而負(fù)彎矩則出現(xiàn)在拱肩、拱腰和拱腳處，由于拱腳處隧道二次襯砌的幾何形狀發(fā)生突變，負(fù)彎矩在拱腳處達(dá)到峰值。隨著水平構(gòu)造應(yīng)力的增大，二次襯砌各點(diǎn)位置的正、負(fù)彎矩?cái)?shù)值均有所增加，當(dāng)水平構(gòu)造應(yīng)力從20 MPa增長(zhǎng)為50 MPa時(shí)，拱頂處的最大正彎矩增長(zhǎng)了6.53 %，拱腳處的最大負(fù)彎矩增長(zhǎng)了12.9 %。

可以看出，穿越高地應(yīng)力巖體隧道的軸力和彎矩?cái)?shù)值均較大，安全系數(shù)較低。應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加二次襯砌的厚度以確保隧道運(yùn)營(yíng)期的安全。

4 結(jié)論

本文通過(guò)建立三維模擬，對(duì)高地應(yīng)力硬巖隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了模擬。研究了不同初始水平地應(yīng)力對(duì)高地應(yīng)力硬巖隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖穩(wěn)定性的影響，得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)隧道所受水平應(yīng)力從20 MPa依次增加至50 MPa時(shí)，隧道最大位移所在位置逐漸從拱頂、拱底向拱腰處移動(dòng)，且隧道最大位移隨著水平初始應(yīng)力的增加，呈先減小后增大的趨勢(shì)。

(2)隧道施工會(huì)對(duì)開(kāi)挖面后方8 m范圍內(nèi)的圍巖應(yīng)力產(chǎn) 生顯著影響。隧道上臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂和拱肩處的最小主應(yīng)力會(huì)顯著增加，拱腰處的最小主應(yīng)力有所降低，壓應(yīng)力向拱腰處的圍巖轉(zhuǎn)移。當(dāng)隧道所受初始水平地應(yīng)力依次增加時(shí)，拱頂處的最小主應(yīng)力近似呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。

(3)高地應(yīng)力硬巖隧道開(kāi)挖引起的塑性區(qū)范圍不大，主要集中在隧道周邊及仰拱下方。隨著隧道所受初始水平應(yīng)力的增加，塑性區(qū)范圍也有所增加，在拱肩處更為明顯。且注漿等措施可以從內(nèi)部加固圍巖，有效控制塑性區(qū)的產(chǎn)生。

(4)在高地應(yīng)力條件下，二次襯砌所受彎矩和軸力值均較大。二襯所受軸力均為壓力，并在拱頂和拱肩出現(xiàn)顯著大于其他部位的軸力值。軸力值還會(huì)隨著隧道所受水平應(yīng)力的增加而顯著增加。二次襯砌拱頂、拱底和邊墻下部受正彎矩，其余部位受負(fù)彎矩，且彎矩和軸力值的大小均會(huì)隨隧道所受初始水平應(yīng)力的增加而有所增大。