高地應力軟巖隧道超前導洞法施工圍巖變形預釋放規律分析

郭小雄，劉艷青，馬偉斌

(中國鐵道科學研究院，北京 100081)

在高地應力軟巖隧道施工過程中，多發生較大程度的變形，導致初期支護混凝土開裂、剝落、掉塊，支護鋼架扭曲、錯斷，初支侵限［1-2］。已建成的烏鞘嶺隧道施工時最大變形量近1．0 m，開挖初期平均變形量在0.4～0.6 m，致使初支大變形而遭破壞，并嚴重侵入隧道襯砌凈空，不得不將初支全部或部分拆除重做［3］。在建蘭渝鐵路亦多次因高地應力大變形而進行換拱［4］，因大量的初期支護拆換作業而產生的經濟損失、安全風險及工期延誤等給隧道正常施工造成嚴重影響。超前導洞法施工可通過對高地應力軟巖隧道圍巖初始地應力的預釋放，以期使隧道正洞支護變形減小至安全可控狀態。

1 理論簡析

超前導洞釋放法為在開挖正洞之前在正洞的合適位置先開挖一定長度的超前導洞，通過超前導洞的位移釋放一部分初始應力，從而減少正洞擴挖后的支護變形和降低作用在支護結構上的壓力。它是柔性支護設計的一種理念，即容許圍巖變形，釋放地應力，減低支護壓力，同時又能約束圍巖松弛和控制圍巖變形，保持隧道穩定［5-6］。

2 數值模擬

2.1 計算參數

以某在建高地應力軟巖隧道為背景，模型邊界尺寸取為100 m×100 m×1 m，隧道模型正洞尺寸為14.3 m×12.7 m，小導洞基本尺寸為7.6 m×4.5 m，相關支護參數、力學參數及初始地應力參數參照現場試驗結果選取，圍巖及初始地應力主要參數見表1～表2。

表1 圍巖參數

表2 初始應力場 MPa

2.2 不同工況條件下的計算分析

采用有限差分法軟件flac3d進行計算。結合現場實際施工情況，導洞采用全斷面開挖，正洞為三臺階法施工，計算過程中正洞尺寸保持不變。選擇導洞計算監測點為 a，b，b'，正洞計算監測點為 A，B，B'，C，C'，D，D'，計算監測點設置見圖1。圖中，H為導洞高度，L為導洞寬度，h為導洞拱頂至正洞拱頂的距離。

為分析超前導洞法相對于直接開挖正洞法的隧道周邊圍巖變形的預釋放效果，本文以釋放率來表示導洞開挖對正洞周邊各點徑向位移的影響程度。

釋放率=(直接開挖正洞隧道周邊圍巖變形量－導洞釋放法正洞隧道周邊圍巖變形量)/直接開挖正洞隧道周邊圍巖變形量×100%。

2.2.1 導洞不同寬度模擬

取導洞拱頂距正洞拱頂2.5 m，高度4.5 m，且位75%，這是由于D處位移受導洞底鼓影響較大，加之導洞支護結構不閉合，導洞寬度越大，底鼓現象越明顯。

圖1 計算監測點設置(單位:m)

2)考慮到導洞全斷面開挖現場實際的施工條件，結合數值計算結果，導洞寬度為7.6 m左右時較為合理。

2.2.2 導洞不同高度模擬

在2.2.1節計算結果基礎上，保持導洞距正洞拱頂2.5 m，寬度7.6 m，且位于正洞中軸線不變。選擇導洞高度 H 分別為 4.5 m，5.0 m，5.5 m，6.0 m，6.5 m五種工況進行模擬計算，結果見圖3。于正洞中軸線不變。選擇導洞寬度L分別為5.6 m，7.6 m，9.6 m，11.6 m四種工況進行計算，結果見圖2。

圖2 導洞不同寬度與釋放率關系曲線

圖3 導洞不同高度與釋放率關系曲線

由圖2可看出:

1)隨著導洞寬度的增加，正洞拱頂 A、上臺階 B、中臺階C、下臺階D的徑向位移釋放率均隨之增加。對拱頂A位移釋放率影響最大，由12%增加到69%，這是由于隨著導洞寬度的變化，導洞洞型改變使得A點位移增加較大。B處位移釋放率由31%增加到75%，影響也較大，這是由于導洞位置較靠近 B的緣故。C處位移釋放率由54%增加到79%，這是由于導洞寬度變化所致。D處位移釋放率由32%增加到

由圖3可看出:

1)當導洞高度增大時，導洞開挖對正洞拱頂A、上臺階B、中臺階C、下臺階D的徑向位移釋放率均隨之增大。

2)考慮到導洞全斷面開挖現場實際的施工條件，結合數值計算結果，選擇導洞尺寸為7.6 m×5.5 m時可取得較好的綜合釋放效果。

2.2.3 導洞不同位置模擬

保持導洞尺寸7.6 m×5.5 m，且位于正洞中軸線不變，選擇導洞拱頂距正洞拱頂距離 h分別為0 m，1 m，1.8 m，2.5 m，3.5 m，4.2 m，5.0 m 七種工況進行模擬計算，結果見圖4。

由圖4可看出:

1)隨著導洞位置的下移，正洞拱頂 A、上臺階 B、中臺階C的徑向位移釋放率均隨之小幅減小。正洞下臺階D位移釋放率略有增加。

圖4 導洞不同位置與釋放率關系曲線

2)綜合分析數值計算結果及導洞和正洞開挖的施工條件，導洞尺寸為7.6 m×5.5 m、導洞拱頂距正洞拱頂為2.5 m時，可取得較好的綜合釋放效果，即現場選擇的導洞位置是合理的。

3 結論及建議

1)合理的導洞尺寸及位置可有效地使正洞周邊在導洞開挖后產生較大的預位移，從而較大程度地減少正洞開挖后初期支護的變形量。

2)在導洞位置不變的條件下，當高度一定時，隨著導洞寬度的增加，釋放率呈較大幅度的線性增長。當寬度一定時，隨著導洞向下高度的增加，釋放率亦呈較大幅度的線性增加。此外，導洞寬度和高度的變化對拱頂下沉釋放率的影響明顯小于對其余各監測點釋放率的影響。

3)綜合分析各工況結果并結合現場施工實際的可行性，當導洞尺寸寬×高為7.6 m×5.5 m，導洞拱頂距正洞拱頂距離為2.5 m時，可取得較好的綜合釋放效果，A，B，C，D 各點釋放率分別為37%，54%，72%和59%。

［1］卿三惠，黃潤秋．烏鞘嶺隧道軟巖大變形防治技術問題探討［J］．路基工程，2005(4):93-96．

［2］鄧祥輝．考慮外水壓力的山嶺深埋隧道變形分析［J］．鐵道建筑，2011(4):70-72．

［3］蔡景獻，張繼奎，方俊波．高地應力千枚巖大變形隧道支護參數試驗研究［J］．隧道建設，2005(6):21-22．

［4］張民慶．蘭渝鐵路高地應力軟巖隧道變形控制技術研究階段報告［R］．北京:鐵道部工程管理中心，2010．

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［6］李章樹，張金鳳．騾坪隧道施工圍巖變形監測與分析［J］．鐵道建筑，2010(11):43-45．