深埋軟巖隧道圍巖變形及穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

摘" 要：為解決復(fù)雜地質(zhì)與復(fù)雜環(huán)境下大埋深軟巖隧道的圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題。[A1]"首先結(jié)合深埋軟巖隧道地質(zhì)情況查明地應(yīng)力分布，再以初步支護(hù)設(shè)計(jì)為參考，采用有限元軟件建立深埋軟巖隧道開(kāi)挖和支護(hù)模型，查明圍巖荷載的變化情況和開(kāi)挖收斂變形規(guī)律，分析軟巖大變形段拱頂、拱底豎向沉降，以及圍巖應(yīng)力、系統(tǒng)錨桿軸力變化，以此對(duì)初期支護(hù)方案的力學(xué)特性和應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：高速公路 "軟巖隧道 "支護(hù)設(shè)計(jì) "圍巖承載

中圖分類號(hào)：U45

Numerical Simulation Study of on Deformation and Stability of Surrounding Rock in Deep Buried Soft Rock Tunnel

CHENG "Yang "JI Guofeng

Anhui Cconstruction Engineeringand Wwater Resources conservancy Ddevelopment Investment Group Co.， LTDLtd， ，Bengbu， Anhui Province， 233010 China

Abstract： In orderIt aims to solve the stability of surrounding rock and supporting structure safety of large buried deep buried soft rock tunnel underin complex geologicaly and environmental conditionscomplex environment.. Firstly， based onby combining the geological conditions of deep buried soft rock tunnels， the distribution of geostress is determined， and then usingwith the preliminary support design as reference， the finite element software is used to establish the excavation and support model of the deep buried soft rock tunnel， to investigate the changes inthe change of the surrounding rock load， and excavation convergence deformation lawsthe surrounding rock stress.， The vertical settlement of the arch top and bottom in the large deformation section of the soft rock， as well as the changes in surrounding rock stress and system anchor rod axial force are analyzedso as to evaluate the mechanical characteristics and application effect of the initial support scheme.

Key Wwords： Highway; Ssoft rock tunnel; Supporting design; Surrounding rock bearing capacity

我國(guó)西部地區(qū)深埋軟巖隧道往往賦存于復(fù)雜高地應(yīng)力、高地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域以及強(qiáng)烈的地形切割環(huán)境下^[1-4]。除此之外，它們往往還具有一個(gè)重要的共同特性，那就是穿越的地層巖性力學(xué)性質(zhì)差、自穩(wěn)能力與自承載能力低、黏土礦物成分高、遇水易軟化泥化以及流變力學(xué)行為顯著等特性。并且隧道施工開(kāi)挖進(jìn)入深部地層后，受高地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與高自重應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合作用，圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理變得極為復(fù)雜，還面臨高水壓、斷層破碎帶、層狀巖體、圍巖流變、支護(hù)結(jié)構(gòu)劣化等因素的復(fù)合作用，從而使以擠壓性軟巖大變形、巖爆動(dòng)力災(zāi)害、涌水突泥、支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂等為代表的災(zāi)害問(wèn)題相當(dāng)普遍，這給山區(qū)深埋軟巖隧道的施工與設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的困難^[5-8]。以我國(guó)典型大埋深高地應(yīng)力軟巖隧道為工程背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)合數(shù)值模擬等手段，對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道的圍巖變形破壞機(jī)理、支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能演化規(guī)律進(jìn)行了深入研究。

1" 工程地質(zhì)概況及支護(hù)方案

西部地區(qū)受構(gòu)造作用影響，褶皺斷裂發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜。同隧道最大埋深628 m，深埋區(qū)分布有碳質(zhì)板巖、古近系砂泥巖，均為軟質(zhì)巖石，受構(gòu)造作用影響，發(fā)育有斷層、褶皺、巖層角度不整合接觸帶及節(jié)理密集帶，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜。伴隨斷層破碎帶較寬，在出口區(qū)域可能出現(xiàn)滑坡、不穩(wěn)定斜坡等地質(zhì)災(zāi)害。

采用水壓致裂法準(zhǔn)確掌握隧道區(qū)地應(yīng)力分布特征，深埋軟巖隧道工程區(qū)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力值為8.82～13.3 Pa，最小水平主應(yīng)力值為6.42～10.7 M[A2]"Pa，最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的平均比值為1.3，最小水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值受埋深控制，隧道深埋段表現(xiàn)為σH＞σV＞σh，水平主應(yīng)力場(chǎng)方向以西北—[A3]"東南向擠壓為主，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹80°E，如圖1所示。

深埋軟巖隧道洞身支護(hù)總體方案采用初期支護(hù)和二次襯砌相結(jié)合的復(fù)合式襯砌，即以錨桿、濕噴混凝土、格柵鋼架、型鋼鋼架等為初期支護(hù)，模筑混凝土為二次襯砌。對(duì)于Ⅲ級(jí)圍巖的初期支護(hù)，由噴射混凝土、徑向錨桿、鋼筋網(wǎng)組成。對(duì)于Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖的初期支護(hù)，采用噴射混凝土、徑向錨桿、鋼筋網(wǎng)及格柵鋼架或工字鋼鋼架組成；在Ⅴ級(jí)、Ⅳ級(jí)圍巖段鋼架采用鎖腳錨桿進(jìn)行加固；鋼架之間用縱向鋼筋連接，徑向錨桿與鋼拱架相間布置，并與鋼筋網(wǎng)焊為一體，與圍巖密貼，形成承載結(jié)構(gòu)。

2" 模型建立

本章采用MIDAS進(jìn)行隧道建模處理，并規(guī)定Y軸方向?yàn)樗淼雷呦颍谱用嫜豗軸負(fù)方向推進(jìn)，X軸方向?yàn)榇怪彼淼雷呦颉Ｋ淼礼R蹄形斷面開(kāi)挖凈空11.2 m，高8.85 mm，在部分軟弱地層強(qiáng)支護(hù)區(qū)段開(kāi)挖凈空高度為9.25 m。根據(jù)圣維南原理，為了更好地模擬實(shí)際工程中隧道與圍巖土體間的相互作用范圍，降低模型邊界對(duì)隧道模型的影響，一般隧道中心線距模型邊界取3～[A5]"5倍的洞徑長(zhǎng)度，隧道底距模型底部邊界取3倍隧道凈空高度以上的長(zhǎng)度。本章選取毛羽山隧道Ⅳ級(jí)圍巖和Ⅴ級(jí)圍巖段落進(jìn)行模擬，每個(gè)模型尺寸為120 m（X軸方向）×120 m（Z軸方向）×100 m（Y軸方向），為保證模擬結(jié)果更加精確，每層圍巖視作均質(zhì)材料?？紤]計(jì)算效率，劃分網(wǎng)格采用六面體+四面體混合單元，向隧道中心逐漸加密。隧道開(kāi)挖模型處于整個(gè)模型的正中位置，如圖2所示。

3" 結(jié)果分析

3.1" 變形分析

隧道開(kāi)挖引起的圍巖變形主要以拱頂沉降和拱底[A6]"隆起為主，隨著開(kāi)挖步的推進(jìn)，圍巖豎向位移逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定，且受巖性影響，破碎圍巖段落的位移值顯著大于巖性較好的隧道段落。具體而言，最大拱頂沉降位移位于圍巖破碎帶一側(cè)，量值達(dá)到12.7 cm，最大拱底隆起位于圍巖破碎帶區(qū)域的隧道始發(fā)洞口，量值達(dá)到11.2 cm，如圖3所示。

隧道掘進(jìn)過(guò)程中，頂部沉降與底部隆起的位移量在掌子面通過(guò)該處時(shí)并不會(huì)完全釋放，而是在以后的一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)展，并且各部位在掌子面通過(guò)時(shí)的瞬時(shí)釋放量并不相同，施作支護(hù)后拱頂位移的瞬時(shí)釋放量相對(duì)拱底更大，發(fā)展更快；這要求在實(shí)際的工程實(shí)踐中，應(yīng)當(dāng)在掌子面通過(guò)后，即時(shí)施作仰拱支護(hù)，保障支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性，并持續(xù)監(jiān)測(cè)支護(hù)的位移發(fā)展情況。同時(shí)，注意到洞周各點(diǎn)的瞬時(shí)變形釋放率與圍巖質(zhì)量可能存在一定聯(lián)系，圍巖質(zhì)量等級(jí)越低，瞬時(shí)變形釋放率越大，這一點(diǎn)將在后續(xù)其他區(qū)段的分析結(jié)果中得到進(jìn)一步印證。

3.2" 圍巖應(yīng)力分析

整體而言，隧道洞周圍巖大部分區(qū)域最大主應(yīng)力仍以負(fù)值受壓為主，但在區(qū)段1的構(gòu)造裂隙周圍及隧道沿線拱底部位，在開(kāi)挖支護(hù)結(jié)束后仍出現(xiàn)了廣泛的拉主應(yīng)力破壞區(qū)。隧道貫通后，最大主應(yīng)力峰值位于隧道始發(fā)洞口左側(cè)拱腳處，量值為11.97 MPa；拉主應(yīng)力破壞區(qū)出現(xiàn)在距始發(fā)洞口53m處的洞頂及距始發(fā)洞口20[A8]"～80 m范圍內(nèi)的洞底?？紤]到巖體受拉強(qiáng)度有限，這再次要求應(yīng)對(duì)拱底及時(shí)施作仰拱及二次支護(hù)，進(jìn)一步控制拱圈變形，同時(shí)應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)構(gòu)造裂隙兩側(cè)過(guò)渡區(qū)域內(nèi)的圍巖支護(hù)系統(tǒng)。

受支護(hù)施作工序的影響，洞周圍巖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的主應(yīng)力均出現(xiàn)了先減小、后增大、再減小、又增大的多次循環(huán)加—卸載趨勢(shì)。以距洞口60 m處的拱頂為例，當(dāng)掌子面掘進(jìn)至該點(diǎn)位前的一個(gè)施工步時(shí)，最大壓主應(yīng)力從初始的9.13 MPa，經(jīng)多次循環(huán)加卸載后降低至7.80 MPa；開(kāi)挖至該監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，瞬間增大至13.1 MPa；在下一個(gè)施工步中，隨著初支施作完成后，該點(diǎn)最大主應(yīng)力又顯著降低至0.93 MPa；最終隨著掌子面的繼續(xù)推進(jìn)穩(wěn)定在3.53 MPa左右。

圍巖應(yīng)力達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，變形也基本已經(jīng)穩(wěn)定，應(yīng)力演化趨勢(shì)與變形演化趨勢(shì)一致。對(duì)比初始狀態(tài)，相同監(jiān)測(cè)斷面的不同位置應(yīng)力集中趨勢(shì)存在較大差異。具體而言，隧道沿線的圍巖應(yīng)力隨著掌子面的推進(jìn)發(fā)生了重分布，拱頂與拱底圍巖應(yīng)力以卸荷為主，穩(wěn)定時(shí)的應(yīng)力僅為原巖應(yīng)力的10%～[A9]"50%，甚至部分區(qū)段卸載至拉主應(yīng)力破壞區(qū)。而左右拱腳的圍巖呈應(yīng)力集中，穩(wěn)定時(shí)的應(yīng)力最高可達(dá)原巖應(yīng)力的120%。

3.3" 錨桿支護(hù)分析

錨桿軸力均處于受拉狀態(tài)，拱頂處軸力最大，拱肩次之，拱腳處軸力最小。隨著掌子面的推進(jìn)，錨桿應(yīng)力受地層影響十分顯著，軟弱層中的錨桿受力更大。隧道貫通時(shí)，位于巖體破碎區(qū)域的錨桿峰值軸向拉應(yīng)力最大，達(dá)到219.3 MPa，位于巖性較好的巖體，錨桿峰值軸向拉應(yīng)力為110.8 MPa。為保證隧道施工安全，針對(duì)軟弱圍巖大變形段落應(yīng)針對(duì)性采取措施進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)施工。

4" 結(jié)論

（1）隧道工程區(qū)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，主應(yīng)力量值呈現(xiàn)出σHgt;σVgt;σh的規(guī)律，隧道軸線位置最大水平主應(yīng)力量值大部分在 16～[A10]"20 MPa，最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的量值差距較大。

（2）隧道開(kāi)挖引起的圍巖變形主要以拱頂沉降和拱底隆起為主，并且最終變形量與巖體性質(zhì)相關(guān)，巖體質(zhì)量等級(jí)越高，巖性越好，最終變形量越小。受支護(hù)施作工序的影響，掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位前后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的壓主應(yīng)力均出現(xiàn)了先減小、后增大、再減小、又增大的多次循環(huán)加—卸載現(xiàn)象。對(duì)比初始狀態(tài)，隧道沿線的圍巖應(yīng)力隨著掌子面的推進(jìn)發(fā)生了重分布，圍巖壓應(yīng)力向拱腳部位集中。

（3）深埋軟巖隧道圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)針對(duì)圍巖變形特征針對(duì)性采取支護(hù)方案，為類似隧道支護(hù)提供借鑒。

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