基于多重失穩(wěn)判據(jù)的隧道圍巖施工穩(wěn)定性研究

摘要：文章以某在建二級公路隧道為研究背景，考慮圍巖失穩(wěn)判據(jù)是施工安全性的核心環(huán)節(jié)，將圍巖變形速率、極限位移、塑性區(qū)與主應(yīng)力等數(shù)值的穩(wěn)定臨界狀態(tài)，與初支內(nèi)力與安全系數(shù)等評價標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，共同作為依托工程隧道的失穩(wěn)判據(jù)，運(yùn)用專業(yè)巖土有限元差分軟件FLAC 3D設(shè)置開挖施工數(shù)值仿真模型，提取模型相應(yīng)數(shù)值結(jié)果（圍巖位移、塑性區(qū)、主應(yīng)力與初支內(nèi)力）展開分析，利用多重失穩(wěn)判據(jù)評價隧道巖土體施工穩(wěn)定性。結(jié)果表明：從圍巖極限位移、圍巖塑性區(qū)與主應(yīng)力等失穩(wěn)判據(jù)得出隧道施工處于安全穩(wěn)定狀態(tài)；從圍巖變形速率失穩(wěn)判據(jù)得知變形與速率減緩兩階段的隧道穩(wěn)定性較差，應(yīng)采取預(yù)加固措施；從初支安全系數(shù)失穩(wěn)判據(jù)可知拱腳存在局部失穩(wěn)可能性，應(yīng)加強(qiáng)與改善施工初支設(shè)計。

關(guān)鍵詞：失穩(wěn)判據(jù)；圍巖施工；穩(wěn)定性分析；安全系數(shù)；數(shù)值仿真

中文分類號：U456.3A471544

0引言

崇山峻嶺中的地下空間開發(fā)有限，其中公路隧道工程占據(jù)了絕大部分，隧道整體系統(tǒng)組成部分為支護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊巖土體，兩者相互作用與影響，共同保衛(wèi)隧道結(jié)構(gòu)施工與運(yùn)營安全穩(wěn)定性。隧道施工穩(wěn)定性研究對象主要為圍巖與初期支護(hù)，圍巖在充分發(fā)揮自我承載力的基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮到初支與圍巖的整體性，不允許巖土體產(chǎn)生過大塑性變形［1］。隧道穩(wěn)定性分析當(dāng)中，H-B、M-C與D-P準(zhǔn)則可定量評價巖土體質(zhì)量并借助經(jīng)驗公式求解圍巖強(qiáng)度問題，將強(qiáng)度折減法引入隧道穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，進(jìn)而定義隧道圍巖安全系數(shù)，評價隧道整體穩(wěn)定性。相應(yīng)領(lǐng)域?qū)W者針對隧道失穩(wěn)判據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，總結(jié)得出極限位移、變形速率、強(qiáng)度準(zhǔn)則判定、強(qiáng)度折減法、支護(hù)強(qiáng)度驗算、非線性理論與數(shù)值模擬法等分析方法［2］。

目前公路隧道穩(wěn)定性判據(jù)主要分為施工階段的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析（位移、應(yīng)力等）、動態(tài)設(shè)計調(diào)整（位移類、強(qiáng)度類、能量類等），其共同構(gòu)建了隧道巖土體安全穩(wěn)定性控制框架［3］。杜俊等［4］以實際軟巖隧道為分析背景，引入強(qiáng)度折減概念，構(gòu)建了掌子面穩(wěn)定性判別框架，并提取對應(yīng)數(shù)據(jù)對掌子面安全系數(shù)展開研究；蘇永華等［5］針對地下巖土體歷史分布特點，以H-B準(zhǔn)則估算巖土體力學(xué)參數(shù)評價開挖擾動影響，基于次生應(yīng)力與松動失穩(wěn)機(jī)理提出圍巖位移突變（拱頂沉降）失穩(wěn)判據(jù)，建立強(qiáng)度折減與失穩(wěn)判據(jù)雙重評價體系，綜合判定隧道施工穩(wěn)定性；郭佳奇等［6］構(gòu)建了最小安全厚度隧道掌子面防突層失穩(wěn)突水判據(jù)，結(jié)合孔隙水壓力、裂紋長度、裂紋排距與最大主應(yīng)力等綜合分析防突層最小安全合理厚度；孫振宇等［7］收集多個隧道圍巖建設(shè)過程的整體變形并進(jìn)行整理分析，確定圍巖變形關(guān)鍵節(jié)點、變形速率與變形加速度分布特征與影響因素；鄭穎人等［8］提出相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)作為圍巖穩(wěn)定評價定量判據(jù)，采用強(qiáng)度儲備安全系數(shù)作為圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)。

既有相應(yīng)結(jié)論從理論、試驗、仿真等層面得出。為確保公路隧道施工穩(wěn)定性，避免不可控的地下因素對施工人員生命與財產(chǎn)安全的影響，本文針對某在建二級公路隧道開展施工穩(wěn)定性研究，分析隧道圍巖位移、塑性區(qū)、主應(yīng)力與初期支護(hù)內(nèi)力，并利用相應(yīng)位移、塑性區(qū)、強(qiáng)度準(zhǔn)則（主應(yīng)力）與安全系數(shù)等多重失穩(wěn)判據(jù)評價施工穩(wěn)定性，為今后在建公路隧道施工穩(wěn)定性提供參考建議。

1工程簡介

該二級公路隧道場區(qū)屬山地丘陵地貌，進(jìn)出洞口地形起伏，最高海拔為430 m，最低海拔為215 m，出露地層巖性為黏土、角礫與泥質(zhì)砂巖等。區(qū)域內(nèi)圍巖分為Ⅲ與Ⅳ級，其中出口段附近為Ⅳ級圍巖（24 m）。該隧道采取提前加固措施后，可利用全斷面法進(jìn)行開挖（開挖循環(huán)進(jìn)尺2 m）。采用復(fù)合襯砌支護(hù)，其施工階段僅考慮初期支護(hù)。

2建立仿真模型及相關(guān)參數(shù)取值

考慮到平面影響范圍邊界與開挖掌子面擠出效應(yīng)，建立隧道開挖施工數(shù)值模型，具體前處理邁達(dá)斯GTS NX網(wǎng)格尺寸見圖1，分別利用實體、殼與桁架單元模擬圍巖（3D-MC本構(gòu)）、噴混（2D-彈性本構(gòu)）與錨桿（1D-線彈性本構(gòu)），左右雙邊界設(shè)為X位移約束，前后雙邊界設(shè)為Y位移約束，下單邊界設(shè)為Z位移約束。如表1所示為公路隧道圍巖與初支相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)。

3隧道圍巖施工穩(wěn)定性分析

隧道施工穩(wěn)定性分析集中于位移、塑性區(qū)與初期支護(hù)相關(guān)指標(biāo)。利用既有研究相關(guān)失穩(wěn)判據(jù)可有效評價具體隧道施工穩(wěn)定性與支護(hù)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，根據(jù)實際工程資料建立核心安全控制，可有效保障隧道施工的平穩(wěn)進(jìn)行［9］。本文提取隧道特殊斷面的巖土體位移與塑性區(qū)、初支應(yīng)力與內(nèi)力分別建立失穩(wěn)判據(jù)，進(jìn)而對施工階段的巖土體穩(wěn)定性與支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性展開分析，基于多重失穩(wěn)判據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性綜合評價。

3.1隧道圍巖位移變形分析

巖土體變形是施工期間由于缺少核心土，使周邊巖土體重新分布形成應(yīng)力集中，宏觀位移變形是應(yīng)力直觀的表現(xiàn)。對特殊斷面開挖過程中的特征點數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，記錄開挖進(jìn)尺過程中特殊斷面拱頂沉降、水平收斂與仰拱隆起等三種特征值變化規(guī)律。開挖擾動使得巖土體位移變形增大，裂隙隨著損傷逐漸加劇。

圖2（a）和圖2（b）所示為隧道施工開挖完成后的水平位移與豎向位移分布云圖，圖2（c）是以縱向斷面12 m為開挖掌子面的隧道縱向長度拱頂沉降與仰拱隆起位移曲線圖。本文根據(jù)實際工況埋深約50 m確定水平與豎向極限收斂位移區(qū)間為0.4～5.6 mm，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

（1）選取隧道開挖施工完成后的水平與豎向位移進(jìn)行分析。下沉位移峰值位于拱頂，峰值約為2.6 mm；隆起位移峰值分布于仰拱處，峰值約為3.0 mm；水平收斂峰值位于拱腰處，峰值約為0.8 mm；拱頂沉降、仰拱隆起與拱腰收斂等特征位移峰值均位于安全區(qū)間，從極限收斂位移層面分析出隧道施工周邊巖土體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）以隧道開挖至縱向12 m為監(jiān)測特殊斷面，取整體縱向連線上的拱頂沉降與仰拱隆起等特征位移進(jìn)行分析。由于受到開挖掌子面擠出變形效應(yīng)的影響，隧道掌子面前后的已開挖區(qū)域與未開挖區(qū)域均出現(xiàn)一定位移變形，其中位移變形分為4個階段：Ⅰ（緩慢位移變形階段）、Ⅱ（加劇位移變形階段）、Ⅲ（位移速率減緩階段）與Ⅳ（位移變形穩(wěn)定階段）。

（3）對4個階段的巖土體變形特征展開研究。階段Ⅰ區(qū)域巖土體變形不顯著；階段Ⅱ區(qū)域巖土體處于較快變形狀態(tài)，此階段位移在圍巖總位移中所占比例較大，是開挖進(jìn)程中最易發(fā)生工程事故的區(qū)域；階段Ⅲ區(qū)域圍巖隨初支添加形成一定約束反力，變形速率逐漸下降，有著趨于穩(wěn)定的狀態(tài)；進(jìn)入階段Ⅳ區(qū)域已經(jīng)無明顯變形，根據(jù)相應(yīng)變形速率規(guī)范將進(jìn)行二次支護(hù)的施作。從位移變形速率層面得出Ⅱ與Ⅲ階段區(qū)域巖土體穩(wěn)定性較差，應(yīng)對特殊情況采取預(yù)加固措施。

3.2隧道圍巖塑性區(qū)范圍分析

如下頁圖3所示為隧道在施工開挖過程中的塑性區(qū)發(fā)展歷程（由于篇幅原因僅列出特殊階段塑性區(qū)云圖），由圖3可知：

（1）隧道在開挖過程中，由于巖土體會發(fā)生多次擾動，部分巖土體會發(fā)生多次塑性屈服，在FLAC軟件中，shear-P、tension-P分別表示多次發(fā)生剪切與拉伸塑性變形，而shear-n、tension-n表示新產(chǎn)生的塑性區(qū)，剪切塑性區(qū)主要分為剪切塑性區(qū)、拉伸塑性區(qū)、剪切拉伸復(fù)合塑性區(qū)等，其危險性排序為：剪切拉伸復(fù)合gt;拉伸gt;剪切。

（2）隧道進(jìn)尺為2 m時，周邊巖土體未發(fā)生塑性變形，由于開挖掌子面的擠出效應(yīng)形成塑性區(qū)，應(yīng)進(jìn)行開挖臨空面加固措施設(shè)計；隨著隧道進(jìn)一步施工，除開挖面塑性區(qū)依然存在外，拱腰與拱腳附近塑性區(qū)也逐漸形成，以剪切塑性區(qū)為主，存在極少部分拉伸剪切復(fù)合塑性區(qū)。以塑性范圍大小超過洞跨度的0.2倍作為隧道塑性區(qū)失穩(wěn)判據(jù)，開挖掌子面不計入其中且以隧道臨空面周邊區(qū)域塑性區(qū)范圍為主，隧道跨度為11 m，因此塑性區(qū)范圍大小應(yīng)＜2.2 m，拱腰與拱腳塑性區(qū)最大范圍分別為1.1 m與1.9 m，均＜2.2 m的臨界值，從塑性區(qū)層面表明隧道施工階段處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3隧道圍巖主應(yīng)力分析

提取隧道施工模型圍巖最大與最小應(yīng)力進(jìn)行研究分析，利用巖土體強(qiáng)度準(zhǔn)則（抗拉與抗壓強(qiáng)度）對隧道穩(wěn)定性做出評價，如圖4所示為隧道施工完成后的主應(yīng)力分布云圖（僅列出隧道開挖完成后）。

對圖4中的隧道巖土體主應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析研究，總結(jié)出以下結(jié)論：

（1）針對隧道施工完成后的主應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，隧道臨空面周邊巖土體主應(yīng)力無論是最大主應(yīng)力或是最小主應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，這恰好規(guī)避了巖土體受拉性質(zhì)較差的劣勢。

（2）分析巖土體最大主應(yīng)力得出壓應(yīng)力峰值位于拱腰附近，最小值出現(xiàn)于仰拱附近；整個模型圍巖最小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力峰值位于拱腰處，其數(shù)值為2.25 MPa，遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度12 MPa，從強(qiáng)度準(zhǔn)則（巖土體主應(yīng)力）層面來講，隧道開挖施工階段處于安全穩(wěn)定狀態(tài)［10］。

3.4隧道初支內(nèi)力分析

在隧道施工期間，復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)主要分為三階段進(jìn)行：巖土體開挖、初期支護(hù)添加與二次支護(hù)施作。鑒于二次支護(hù)施作是基于圍巖變形速率已滿足規(guī)范要求且變形基本穩(wěn)定，

因此施工時期最有關(guān)于圍巖穩(wěn)定性的因素是巖土體與初期支護(hù)之間的相互影響，圍巖要在適當(dāng)范圍內(nèi)充分發(fā)揮自我承載能力，與初期支護(hù)協(xié)同變形，共同承擔(dān)施工期間的大部分巖土體荷載，進(jìn)而確保隧道施工的穩(wěn)定性。本文提取模型初期支護(hù)殼單元內(nèi)力（軸力與彎矩）相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用規(guī)范法計算支護(hù)安全系數(shù)。

如圖5所示為隧道施工完成后進(jìn)口斷面初期支護(hù)內(nèi)力與安全系數(shù)分布圖，安全系數(shù)臨界值為2.0，并得出以下觀點：

（1）分析開挖完成后的隧道初期支護(hù)內(nèi)力可知，軸力以106 N為圖形單位，表明隧道軸力峰值位于拱腰處，達(dá)到1.83×106 N，軸力最小值為0.27×106 N且出現(xiàn)于仰拱底部，初期支護(hù)各部位軸力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，充分發(fā)揮了噴射混凝土的抗壓能力；彎矩以kN·m為數(shù)據(jù)單位，彎矩分為正負(fù)并且于拱腳處發(fā)生異號，表明拱腳處剪切應(yīng)力較大，應(yīng)快封閉強(qiáng)支護(hù)避免發(fā)生剪切破壞，正彎矩峰值位于仰拱底部，達(dá)到1.653 5 kN·m，負(fù)彎矩峰值位于拱腳處，達(dá)35 kN·m。

（2）分析開挖完成后的隧道初期支護(hù)安全系數(shù)分布可知，運(yùn)用規(guī)范法，按照彈性地基梁求解噴射混凝土安全系數(shù)，安全系數(shù)峰值出現(xiàn)于仰拱底部，達(dá)到13.7，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過安全系數(shù)臨界值，說明仰拱處安全系數(shù)有富余；安全系數(shù)最小值位于右拱腳處且數(shù)值為2.05，略高于臨界值2.0，但仍然不足，在施工開挖過程中存在拱腳處局部失穩(wěn)可能性，加上拱腳處彎矩較大，剪切破壞的可能性進(jìn)一步增大。從初期支護(hù)安全系數(shù)層面分析認(rèn)為，初支拱腳存在局部失穩(wěn)可能性，應(yīng)加強(qiáng)與改善施工期間初支設(shè)計。

4結(jié)語

本文以某在建二級公路隧道為工程背景，利用有限差分仿真軟件建立三維公路隧道開挖進(jìn)尺施工模型，以圍巖極限位移、位移速率、塑性區(qū)范圍、初支安全系數(shù)為基礎(chǔ)設(shè)置多重失穩(wěn)判據(jù)，綜合評價施工進(jìn)程中的隧道圍巖施工穩(wěn)定性，得出以下觀點：

（1）沉降、隆起與水平收斂峰值分別位于拱頂、仰拱底與拱腰，從極限位移層面得出施工階段圍巖穩(wěn)定；變形過程分為緩慢變形、加劇變形、速率減緩與變形穩(wěn)定等4個階段，從變形速率角度分析認(rèn)為，加劇變形與速率減緩此兩階段圍巖穩(wěn)定性較差，應(yīng)采取預(yù)加固措施。

（2）開挖掌子面擠出效應(yīng)形成塑性區(qū)，拱腰與拱腳附近以剪切塑性區(qū)為主，存在極少部分復(fù)合塑性區(qū)。以塑性范圍超過洞跨度0.2倍作為失穩(wěn)判據(jù)，塑性區(qū)范圍較大值位于拱腰與拱腳處，分別為1.1 m與1.9 m，均小于臨界值，從塑性區(qū)層面表明施工圍巖趨于穩(wěn)定；隧道圍巖主應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大與最小主應(yīng)力峰值均位于拱腰附近，壓應(yīng)力峰值為2.25 MPa，遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度規(guī)定值，從強(qiáng)度準(zhǔn)則角度判斷出隧道施工處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）初支軸力均為壓應(yīng)力，峰值位于拱腰處，彎矩于拱腳異號且此處剪切應(yīng)力較大，應(yīng)采取快封閉強(qiáng)支護(hù)措施，正負(fù)彎矩峰值分別位于仰拱底與拱腳；初支安全系數(shù)峰值與最小值分別出現(xiàn)于仰拱底與右拱腳處，仰拱底安全系數(shù)有明顯富余，右拱腳安全系數(shù)儲備明顯不足并且存在局部失穩(wěn)可能性，從初支安全系數(shù)層面評價拱腳存在局部失穩(wěn)可能，應(yīng)加強(qiáng)與改善施工初支設(shè)計。

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作者簡介：鄧日富（1992—），工程師，主要從事公路工程施工方面的工作。