極高地應力千枚巖隧道施工圍巖的變形與控制

全 民，唐 靈，趙 亢

(1.中國中鐵隧道集團一處有限公司，重慶401121； 2.西南交通大學，四川成都610031)

隧道在克服地形障礙、縮短空間距離及改善交通等方面具有不可替代的作用。近年來，隨著我國綜合國力的不斷增強，基礎建設的力度在不斷加大，隧道的修建進入了一個新的高峰，尤其在我國的西南地區。隨著修建隧道數量的逐步增多，軟弱圍巖區段隧道大變形災害問題逐漸為巖土工作者所關注，其問題主要表現為：變形侵限、初支噴層開裂掉塊、鋼架扭曲、拱腳失穩、底板隆起，甚至局部區段發生坍塌或二襯開裂現象，不僅嚴重影響了施工安全和施工質量，同時也對建設工期和投資造成不利影響[1]。軟弱圍巖隧道的開挖方法及支護措施是影響圍巖在開挖后的應力調整和變形的主要因素，本文以谷竹高速關埡子隧道大變形為實例，利用大型有限差法軟件FLAC3D對控制軟弱圍巖隧道大變形常用的幾種方法進行了數值模擬分析，同時結合現場監控量測對不同方法進行了效果評價，在此基礎上提出了合理的開挖方法及支護參數，從而確保關埡子隧道在施工和運營中的安全，并為今后類似的工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

關埡子隧道位于湖北省十堰市竹溪縣蔣家堰鎮，隧道洞軸線走向方位角起點274°、止點285°，全長1 628 m，隧道最大埋深約170 m，左右洞凈距約25～32 m，隧道凈寬：10.25 m，隧道凈高：5.0 m。隧道區屬于竹溪褶皺束，所涉及的地層主要為志留系。隧道進出洞口巖層為單斜地層，巖性為絹云母千枚巖，絹云母含量在90 %以上，夾雜部分石英。該巖由泥巖淺變質而來，泥質已全變為絹云母。絹云母呈長纖維狀，定向—平行—緊密排列。成巖后有不均一狀揉皺。石英填于絹云母不均一揉皺產生的空隙中。

開挖后圍巖實際揭示情況為強～中風化碳質片巖，風化及巖石破碎程度隨里程變化無明顯規律且變換頻繁。巖石呈薄層狀，層間結合較差，表面有滑膩感，遇水軟化膨脹，開挖后無自穩能力，且巖石暴露后強度衰減很快，具有明顯的軟巖持續變形特點施工中揭露的圍巖如圖1所示。

圖1 施工中揭露的圍巖

據巖石力學特性試驗結果顯示，關埡子隧道圍巖單軸飽和抗壓強度Rc為5.74 MPa，最大主應力在4.52～5.29 MPa，最小主應力在3.08～4.15 MPa之間取值。《工程巖體分級標準》(GB 50218-94)及《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004)對巖石堅硬程度給出了定性的劃分，如表1所示。《工程巖體分級標準》(GB 50218-94)對巖體初始應力場進行了評估，如表2所示。

表1 Rc與巖石堅硬程度定性劃分表

表2 高初始應力地區在開挖過程中的主要現象

2 軟弱圍巖大變形控制技術

2.1 軟弱圍巖常用的施工方法

國內目前對于軟弱圍巖隧道的常用施工方法有臺階法、單側壁導坑法、雙側壁導坑法、CD法、CRD法等。關埡子隧道按照設計采用了三臺階法及CRD法，但由于這有兩種工法實際效果并不理想，因此在數值模擬中增加了雙側壁導坑法用以對比分析。各工法優缺點對比如表3所示。

表3 各工法優缺點對比

2.2 各工法數值模擬分析

該隧道設計采用三臺階法和CRD法開挖，初期支護參數為：26 cm厚C20噴射混凝土，I 20b鋼拱架，縱向間距0.6 m。由于三臺階法及CRD法控制該隧道變形的效果并不理想，因此增加雙側壁導坑法的數值模擬。

建模時，圍巖采用莫爾-庫侖彈塑性模型。鋼拱架和鋼筋網按彈模換算的方法換算到噴射混凝土中，采用彈性體來模擬初期支護結構，通過其應力情況來判定其穩定性。

2.2.1 三臺階法

經計算得到隧道圍巖的位移等值云圖、圍巖塑性區分布圖、初期支護第一、第三主應力等值圖，見圖2～圖5。

圖2 圍巖位移等值云圖

圖3 圍巖塑性區分布示意

圖4 第一主應力等值云圖

圖5 第三主應力等值云圖

2.2.2 CRD法

經計算得到隧道圍巖的位移等值云圖、圍巖塑性區分布圖、初期支護第一、第三主應力等值圖，見圖6～圖9。

圖6 圍巖位移等值云圖

圖7 圍巖塑性區分布示意

圖8 第一主應力等值云圖

圖9 第三主應力等值云圖

2.2.3 雙側壁導坑法

經計算得到隧道圍巖的位移等值云圖、圍巖塑性區分布圖、初期支護第一、第三主應力等值圖,見圖10～圖13。

圖10 圍巖位移等值云圖

圖11 圍巖塑性區分布示意

圖12 第一主應力等值云圖

圖13 第三主應力等值云圖

通過數值模擬發現：采用三臺階法拱頂沉降29 cm，水平收斂16 cm，支護鋼架應力260 MPa；改成CRD法后拱頂沉降17 cm，減小40 %，水平收斂20 cm，增大25 %，支護鋼架應力230 MPa，減小10 %；采用雙側壁導坑法后，拱頂沉降8 cm，減小約75 %，水平收斂11 cm，減小約40 %，支護鋼架應力147 MPa，減小約50 %；現場監控量測顯示采用三臺階法時拱頂沉降39 cm，水平收斂45 cm，采用CRD法時拱頂沉降29 cm，水平收斂40 cm，相對來說監控量測數據要比對應的數值計算值偏大，這可能與支護施作時機有一定關系，在數值計算中無法有效的模擬。

數值計算結果顯示CRD法在控制變形量及鋼架應力上較三臺階法有一定的優勢，但效果不明顯，隧道仍處于大變形范圍；采用雙側壁導坑法后，隧道的變形及鋼架應力均得到明顯的改善，隧道未發生大變形，鋼架最大應力為124 MPa，遠小于屈服極限，鋼架仍處于彈性階段，且塑性區范圍較小。

4 結論

(1)關埡子隧道處于極高地應力軟弱圍巖區段，進行大斷面隧道施工，極容易發生圍巖大變形甚至塌方，必須引起密切關注。

(2)結合關埡子隧道工程的實際情況及數值模擬結果，提出改用雙側壁導坑法開挖代替原設計的三臺階法及CRD法，保證隧道施工過程中的安全。

[1] 關寶樹.軟弱圍巖隧道變形及其控制技術[J].隧道建設，2011，31(1):1-17

[2] 姜云，李永林，李天斌，等.隧道工程大變形類型與機制研究[J].地質災害與環境保護，2004，15(4):46-51

[3] 關寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京:人民交通出版社，2003

[4] 關寶樹，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術[M].北京：人民交通出版社,2011

[5] 朱永全，李文江，趙勇.軟弱圍巖隧道穩定性變形控制技術[M].北京：人民交通出版社,2012