高地應力軟巖隧道圓形斷面擴挖施工圍巖及支護受力特征研究

鄒 翀， 尤顯明， 焦 雷， 黃明利， 肖祖通

(1. 中鐵隧道勘測設計研究院， 河南 洛陽 471009； 2. 中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽 471009；3. 北京交通大學土木建筑工程學院， 北京 100044)

高地應力軟巖隧道圓形斷面擴挖施工圍巖及支護受力特征研究

鄒 翀1， 尤顯明2， 焦 雷1， 黃明利3， 肖祖通3

(1. 中鐵隧道勘測設計研究院， 河南 洛陽 471009； 2. 中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽 471009；3. 北京交通大學土木建筑工程學院， 北京 100044)

針對高地應力軟巖隧道開挖時圍巖大變形問題，以某隧道圓形擴挖段為背景，采用三臺階法施工和3層初期支護+小導管注漿+二次襯砌的復合結構支護，并通過現場監測、數值模擬和理論計算研究開挖過程中的圍巖變形及支護結構受力。結果表明：上、中臺階開挖時的隧道圍巖變形速率較大，在仰拱封閉和第3層初期支護施作完成后，隧道變形趨于穩定；采用3層初期支護結構可有效改善隧道周邊圍巖應力，3層初期支護基本都是受壓結構，拱腰和邊墻處豎向應力最大，拱頂處水平應力最大；二次襯砌拱腰、拱頂、拱腳和邊墻處安全系數均大于規范要求，保證隧道結構安全。

高地應力； 軟巖隧道； 圓形擴挖施工； 三臺階法

0 引言

我國西部地區處在板塊交接地帶，地質條件復雜，地應力高，在此處修建隧道難度大，且大變形問題突出，但多數情況下未找到有效的解決方法。主要原因是： 1)高地應力軟巖隧道的變形量大，隧道邊界侵限，施工處理困難； 2)現行設計規范對大變形問題未有專門規定，沒有可行的設計施工方法，僅依靠經驗應對。已建成的蘭武、南昆鐵路以及在建的成蘭、蘭渝等鐵路隧道大多都不同程度地面臨著圍巖變形的困擾。

許多學者對高地應力軟巖隧道圍巖大變形問題進行了研究。文獻[1]對圍巖大變形類型和機制進行了劃分;文獻[2-3]通過采用合理的斷面形狀、預留變形量、多重支護等施工技術，在一定程度上控制了烏鞘嶺隧道的大變形；文獻[4-5]從圍巖動態演化機制角度出發，對大變形隧道進行返修，并取得了一定成功；文獻[6-7]認為可允許圍巖適度變形，對圍巖應力進行適度釋放；文獻[8-9]通過現場試驗得出，合理的超前應力釋放技術可有效減小圍巖變形；文獻[10]通過超前大鉆孔和超前導洞應力控制方法的現場試驗發現，2種方法雖然能對變形的控制起到一定作用，但就其可行性而言，還需繼續研究和完善；文獻[11-12]根據現場施工實際情況及理論分析，提出了有效、合理的支護措施；文獻[13]通過現場試驗，提出高地應力軟巖大變形隧道施工時應采用放抗結合的方法。以上研究取得了一定成果，但對高地應力理論和高地應力軟巖隧道大變形控制方法的研究仍不夠完整和成熟。本文針對某高地應力軟巖隧道施工時圍巖及支護結構受力和變形進行研究，采用數值模擬和現場監測方法，分析圍巖變形和支護結構受力情況，并給出合理的工程對策，以指導現場施工。

1 工程概況

1.1 地質概況

該隧道地質條件非常復雜，隧道洞身共發育有11處斷裂，斷裂段長4.5 km，最大斷裂寬約1 km。軟巖段占隧道總長的84.5%，極易發生大的圍巖滑塌，施工難度大。

該隧道圓形斷面擴挖段屬于嶺脊段，嶺脊段地層巖性為二疊系薄層狀炭質板巖，屬于F14-1斷層破碎帶，埋深600 m。泥質、鈣質結構，層厚1～4 cm，巖層傾角陡立，受地質構造影響嚴重，層間結合差，節理發育—極發育，巖層破碎—極破碎，未見基巖裂隙水，綜合判定為Ⅴ級軟巖。隧道地質縱斷面情況如圖1所示。

圖1 圓形擴挖段地質縱斷面圖

采用水壓致裂法測試隧址地應力，實測最大水平地應力σ1為27.16 MPa。試驗測得板巖單軸飽和抗壓強度Rc的平均值為13.35 MPa，強度應力比Rc/σ1=0.49，由GB /T 50218—2014《工程巖體分級標準》可知，該隧道處于極高地應力狀態。

1.2 圓形擴挖段施工工藝及參數

圓形斷面擴挖段采用三臺階法施工。上、中、下臺階高度分別為3.8、3.9、3.9 m，臺階長度分別為5、7、4 m。上、中、下臺階開挖進尺均為1榀鋼架距離(0.7 m)，中、下臺階分左、右側錯開開挖。仰拱一次開挖長度為5 m。采用3層初期支護+小導管注漿+二次襯砌支護，第1、2層初期支護均采用H175型鋼，間距0.7 m/榀，噴混凝土厚度分別為33、25 cm，之間預留變形量40 cm。第3層初期支護和二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，厚度分別為40、70 cm，第2、3層初期支護之間預留變形量為25 cm。圓形擴挖斷面尺寸及支護參數如圖2所示。

圖2 圓形擴挖斷面及支護參數示意圖(單位: cm)

Fig. 2 Sketch diagram of circular cross-section enlargement and supporting parameters (cm)

2 模型建立及參數選取

2.1 模型建立

根據圣維南原理和相關經驗可知，隧道開挖影響范圍約為洞徑的3倍。采用FLAC3D軟件模擬，建立結構-荷載模型，模型長100 m，寬70 m，高100 m。該隧道屬于深埋隧道，將覆土換算成附加荷載，其等效地應力σz=γh=11.3 MPa(γ為上覆巖層的平均加權容重，取20 kN/m3；h為上覆巖層總厚度，取565 m)，水平應力按豎向地應力的1.8倍取值。采用Mohr-Coulomb模型，并考慮巖體的受拉屈服、彈塑性變形。利用set large 命令設置模型為大變形。開挖采用FLAC3D中的Null模型，復合支護中的初期支護采用Shell結構單元。

圖3 圓形擴挖段縱向施工步序示意圖(單位: m)

2.2 計算參數選取

圍巖參數如表1所示。

表1 圍巖參數

數值模擬中的初期支護為H175型鋼+C30混凝土，采用等剛度加權平均的方法對初期支護的計算參數換算，等效支護密度ρ等效=(ρ鋼×A鋼+ρ混×A混)/A總，等效彈性模量E等效=(E鋼×A鋼+E混×A混)/A總，其中A表示型鋼或混凝土的截面面積。換算得到初期支護計算參數如表2所示。

表2 初期支護參數

注漿在本質上是改變了圍巖的參數，結合現場施工經驗并參考文獻[14-15]，本模擬注漿按提高圍巖強度30%計算。

3 圓形斷面擴挖施工現場監測和數值模擬結果分析

3.1 圍巖變形分析

在給排水工程施工過程中經常會出現各種不同類型的問題，這會對給排水工程的質量造成不良影響，進而都會其應用性能產生影響，可見，在給排水工程施工中，做好像施工管理意義重大。

3.1.1 現場監測數據分析

選擇DK181+150典型斷面對圍巖變形監測，監測結果如圖4所示。可知： 上、中臺階開挖時的隧道圍巖變形速率較大。仰拱施作完成后，變形速率有所減小。第3層初期支護完成后，支護剛度和強度增強，變形速率控制在1～3 mm/d，但約20 d后，變形速率有增大的趨勢，說明第3層初期支護完成后，雖然變形得到一定程度的控制，但未最終收斂，因而仍要加強支護或及時施作二次襯砌。

圖4 DK181+150斷面變形曲線

3.1.2 數值模擬結果分析

分別取隧道頂部中點、上臺階收斂點和中臺階收斂點作為隧道位移關鍵點，分析豎向位移與水平位移，隧道拱頂沉降和上臺階、中臺階水平收斂變形曲線如圖5所示。由圖可知： 1)上臺階第1層初期支護完成后，拱頂沉降和上臺階水平收斂值較大，變形速率趨緩； 2)中臺階第1層初期支護完成后，中臺階水平收斂速率最大，拱頂沉降和上臺階水平收斂與上一階段相比變形速率減小； 3)下臺階第1、2層初期支護完成后，拱頂沉降和上臺階水平收斂已經進入緩慢變形階段，下臺階還有較大變形，但變化速率明顯減??； 4)仰拱施作完成后，水平收斂速率已經很小，進入穩定階段。因此，高應力軟巖隧道圓形擴挖段的上、中臺階開挖階段是影響隧道變形的主要階段，施工時應注意及時支護，仰拱封閉及第3層初期支護施作完成后，隧道變形趨于穩定。

圖5 隧道拱頂沉降與水平收斂曲線

3.1.3 數值模擬結果與監測數據對比

由于在開挖還未到達預設監測斷面時，預設的監測點已產生了一定的位移，而在實際施工中監測斷面未被開挖時是不可能對其進行監控的。因此，在進行監測數據和數值模擬結果對比分析時，將數值模擬中監測斷面開挖前的位移歸零，以便于分析和研究，對比結果如表3所示?？梢钥闯觯?第1層初期支護變形量占總變形量比例的模擬結果與監測結果非常接近。第2層初期支護的模擬結果比監測結果大。第3層初期支護的模擬結果比監測結果小，這是由于從監測開始至隨后約60 d里，第3層初期支護的變形速率一直保持在1～2 mm/d，而在數值模擬中，隨著仰拱封閉和第3層初期支護施作完成，隧道變形很快收斂，所以模擬計算的變形量較小。

表3 3層初期支護變形占洞周變形比例

Table 3 Proportions of 3 primary support structures in total deformation %

3.2 圍巖應力隨開挖支護進程的變化規律

(a) 水平應力

(b) 豎向應力

Fig. 6 Surrounding rock stresses vs. tunnel construction procedures

3.3 初期支護結構受力分析

3.3.1 支護結構受力監測數據分析

為了與模擬結果進行對比，將現場實測的初期支護鋼架應力和混凝土應力按照應變協調變形條件下的等剛度原則換算為初期支護結構的應力，結果見表4和表5。可知： 第1、2層初期支護鋼架受力很大，最大達到46.00 MPa，各測點數值(除第2層仰拱外)均已超過鋼架屈服強度換算值(23.5 MPa)； 第3層初期支護鋼筋混凝土受到的最大應力發生在右邊墻內側處，達到34.06 MPa，已超過C35混凝土的抗壓極限強度。斷面拱墻結構受力最大平均值為15.34 MPa，整體不是很大。因此，采用3層初期支護結構還是很有必要的。

表4 第1層和第2層初期支護結構受力

注： 拉應力為正、壓應力為負，表中平均值為各監測點結構應力數值的平均值，下同。

表5 第3層初期支護結構受力

3.3.2 支護結構受力數值模擬分析

取隧道中間位置縱向1 m長的一段隧道進行研究，重點分析施作二次襯砌后，3層初期支護結構的水平應力和豎向應力，結果如圖7—9所示。可知： 1)第1層初期支護結構受到的應力全為壓應力。邊墻與拱腰附近豎向應力最大，為27.5 MPa。拱頂部位水平應力最大，為37.7 MPa。2)第2層初期支護結構受到的應力也全為壓應力。最大豎向應力依舊出現在邊墻與拱腰附近，為23 MPa。拱頂部位水平應力最大，為25.6 MPa。3)第3層初期支護受到的應力基本為壓應力。最大豎向應力也出現在邊墻與拱腰附近，為17.1 MPa。拱頂部位水平應力最大，為24.3 MPa。拱頂部位出現拉應力，其值為6.9 MPa。邊墻部位出現拉應力，其值為7.1 MPa。

(a) 水平應力

(b) 豎向應力

3.4 二次襯砌結構安全分析

由數值模擬計算得到二次襯砌不同特征部位的彎矩和軸力，計算出的偏心距均小于0.2h(h為二次襯砌厚度)，按抗壓強度控制承載能力計算。二次襯砌結構的安全系數如表6所示。經計算，混凝土的抗壓強度安全系數均大于TB 10003—2005《鐵路隧道設計規范》規定的混凝土結構強度安全系數(2.0)。

(a) 水平應力

(b) 豎向應力

(a) 水平應力

(b) 豎向應力

特征部位彎矩/(kN·m)軸力/kN偏心距/mm判斷拉壓控制襯砌安全系數規定安全系數拱頂15．616509．5抗壓控制112．0拱腰5．421502．5抗壓控制8．52．0邊墻2．610902．4抗壓控制16．72．0拱腳3．410103．4抗壓控制182．0

4 結論與建議

1)高地應力軟巖隧道圓形擴挖段采用三臺階法施工時，上、中臺階開挖時的隧道圍巖變形速率較大，應注意及時支護。仰拱封閉及第3層初期支護施作完成后，隧道變形趨于穩定，應適時施作二次襯砌。

2)3層初期支護結構可有效改善隧道周邊圍巖應力。在隧道擴挖完成后，3層初期支護結構基本都處于受壓狀態，拱腰和邊墻處豎向應力最大，拱頂處水平應力最大。

3)本文對高地應力軟巖隧道圓形斷面擴挖段施工階段的支護結構受力和變形規律進行了研究，研究結果可為高地應力軟巖隧道的施工提供參考。如有條件，建議進一步對運營階段隧道支護結構的受力和變形進行監測，使研究結果更具有指導意義。

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Study of Mechanical Characteristics of Surrounding Rock and Supporting Structure of Enlarging Construction of Circular Soft Rock Tunnel with High Ground Stress

ZOU Chong1， YOU Xianming2， JIAO Lei1， HUANG Mingli3， XIAO Zutong3

(1.Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,Henan,China；2.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China；3.SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Large deformation often occurrs in soft rock tunnel with high ground stress during construction. Three-bench excavation method and composite support structure of 3 layers of primary support + grouting through small duct + secondary lining are used to control large deformation of a soft rock tunnel with high ground stress. The mechanical characteristics of surrounding rock deformation and supporting structure are studied by site monitoring，numerical simulation and theoretical calculation. The results show that: 1) The deformation speed of surrounding rock is large when excavating top heading and intermediate bench; the deformation of surrounding rock becomes stable after construction of invert arch closure and the third primary support. 2) The stress of surrounding rock can be improved effectively by 3 layers of primary support; and the primary support structures are under compressive stress; the maximum vertical stress occurs in haunches and sidewall and the maximum horizontal stress occurs in crown top. 3) The safety factor of secondary lining can meet the requirements of related specifications and guarantee the safety of tunnel.

high ground stress; soft rock tunnel; enlarging construction of circular tunnel; three-bench excavation method

2016-05-23;

2016-11-15

鄒翀(1971—)，男，江西南昌人，1996年畢業于南昌航空大學，機械工程專業，本科，教授級高級工程師，現從事隧道與地下工程科研工作。E-mail： zouchong0356@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.005

U 45

A

1672-741X(2017)01-0030-07