軟弱圍巖時效變形特性對石林隧道支護結構長期穩定性的影響分析

■陳 翔

（三明福銀高速公路有限責任公司養護中心，三明 365000）

0 引言

福建省是一個多山地區，地質條件復雜多變，使得高速公路隧道的修建很難避免穿越具有顯著時效變形特征的軟巖區域[1]。隧道圍巖的時效變形特性，不僅會造成施工期間經常會發生拱頂坍塌、底鼓、突水、涌泥等地質災害，而且還會造成運營期間隧道支護結構的開裂、滲水、甚至坍塌等穩定性問題，嚴重影響著高速公路隧道的安全運營[1-5]。

永寧高速公路是福建省永安至寧化高速公路國家規劃的重點干線公路“泉州至南寧”的重要組成部分，是東部沿海地區通往中部地區重要的省際通道，也是一條重要的國防交通干線和快速入閩通道[2]。永寧高速公路的石林隧道圍巖具有典型的軟巖時效大變形特征，不僅施工期間出現過多次地質災害，而且貫通運營至今隧道襯砌結構局部已出現裂縫和底鼓現象，潛在影響著隧道的安全運營[1-5]。

1 永寧高速石林隧道工程概況

永寧高速公路石林隧道距永安市區約8km，隧道長2865m，最大開挖斷面約110m2，最大埋深約為320m。石林隧道位于地質條件復雜的山嶺，不僅構造應力作用較強，而且工程地質條件極為復雜，例如：受斷層帶和褶皺等地質構造和地下水的影響，巖體破碎，節理發育，力學強度低，具有顯著的時效變形特征[4]。

石林隧道開挖施工期間，YK14+260～YK14+320段受軟弱圍巖大變形的影響，連續發生多次突泥涌水事故，導致初支結構發生拱頂沉降、坍塌、底鼓和二襯開裂等地質災害，嚴重困擾著施工安全和影響工期。事后結合地質條件、災害特征、現場監測和試驗成果，分析產生上述災害的機理，提出了相應的圍巖加固措施和改進的施工工藝，控制了軟弱圍巖大變形對隧道施工過程中支護結構和施工工期的影響[4]。2011年6月至8月福州大學對該段的監測結果表明，仰拱隆起位移總體較小，隆起現象不明顯；大部分斷面襯砌拱頂處表面受拉、拱腰處受壓以及邊墻處受拉，應變值在10-5數量級以內，開裂的裂縫寬度變化微小，短期沒有進一步發展的跡象[5]。

以往的研究成果大都從隧道施工現場存在的問題出發，研究軟弱圍巖變形特性對隧道穩定性的影響，很少從運營期間或設計服務年限角度研究軟巖時效變形特性對隧道結構長期穩定性的影響[1-9]。本文以福建永寧高速公路的石林隧道為例，著重分析軟巖時效變形特性對隧道支護結構長期穩定性的影響。

2 石林隧道數值計算模型概述

2.1 石林隧道的幾何模型

鑒于應力越高軟巖的時效變形特性越顯著的特點，石林隧道埋深選取其最大埋深即320m。依據石林隧道的設計和地質資料，采用FLAC3D巖土工程數值計算軟件，建立了石林隧道的數值計算模型，如圖1所示。其中平面模型水平寬100m，豎向高110m，隧道軸線方向為單位長度；隧道位于模型的中央，隧道跨度為12.52m，未建立的覆巖以均布面壓力考慮；初襯厚0.28m，二襯厚45cm，隧道起拱段以上累計施加23根3.5m長的全長粘結錨桿，如圖2所示。

圖1 石林隧道數值計算模型

圖2 石林隧道支護結構示意圖

2.2 隧道巖體及支護結構的力學參數

數值計算模型中石林隧道圍巖分別選取理想彈塑性和粘塑性cvisc蠕變本構模型，用以表征開挖階段和運營階段圍巖的力學特性。混凝土初襯、鋼筋混凝土二襯、回填混凝土和錨桿均采用理想彈塑性本構模型，其中以等效提高初襯和二襯混凝土力學強度的方法來近似反應鋼拱架和鋼筋的作用。參考石林隧道地質資料及相關文獻，選取石林隧道圍巖及支護結構的物理力學參數見表1至表3所示。

表1 隧道圍巖的物理力學參數表[2,3]

表2 隧道襯砌結構的物理力學參數表[2,3]

表3 隧道錨桿的物理力學參數表

2.3 數值計算模型邊界條件及數值模擬過程概述

石林隧道數值計算模型兩側及底部采用面外法線方向位移約束邊界條件，模型頂部施加6.5MPa的均布面壓力表征未建立覆巖的影響。地層水平側壓力系數取1.25。重力加速度大小為9.8m/s2，方向為豎向向下。約束整個模型平面外法線方向的位移使之簡化為平面應變問題。

數值模擬過程大致分為三步，首先，進行初始應力場作用下的靜力平衡模擬；其次，將模型變形場清零，進行隧道斷面開挖支護的模擬；最后，給定隧道圍巖為粘塑性蠕變本構模型，進行隧道的長期穩定性模擬。

3 圍巖時效變形特性對隧道支護結構長期穩定性的影響分析

以下將從隧道靜力開挖支護穩定和隧道不同運營時間狀態下，對比分析隧道支護結構的變形場、應力場、塑性破壞區域的變化規律，探究軟弱圍巖時效變形特性對隧道結構長期穩定性的影響。

3.1 塑性破壞區域分析

不同運營時刻下隧道襯砌結構塑性區分布圖（圖3）直觀地表明，隧道斷面開挖支護穩定后（t=0時刻），只有初襯與圍巖接觸面附近發生塑性屈服，屈服區域甚小。隨隧道運營年限的增加，隧道二襯混凝土逐漸產生拉剪屈服，且屈服范圍隨之增大的趨勢。例如：當隧道運營t=5年時，隧道拱底和左右邊墻開始出現塑性屈服；當t=10年時，左側邊墻塑性區基本貫通混凝土襯砌，且左右邊坡塑性屈服區域具有不對稱性；當t=40年時，隧道左右邊墻的塑性區已完全貫通混凝土襯砌，同時隧道拱頂出現大面積塑性屈服區域且已基本貫通混凝土襯砌；當t=100年時，隧道左右邊墻、拱頂、拱底的塑性區較t=40年有不同程度的增大。可見，從不同運營年限的混凝土襯砌塑性區分布規律可知，軟弱圍巖的時效大變形特性對隧道襯砌結構的長期穩定性具有顯著的影響。

圖3 隧道襯砌結構的塑性區分布圖

3.2 應力場分析

不同運營時刻下的最大主應力分布圖（圖4）清晰地表明，隨隧道運營年限的增加，隧道混凝土襯砌由開挖支護穩定后的較為均勻的受力狀態，逐漸發展到隧道拱底、左右邊墻和拱頂出現顯著的拉應力區，拉應力區的位置、分布面積及先后出現的時刻均與上述混凝土襯砌塑性區隨運營時間變化規律相一致。圖5給出了二襯混凝土拱頂、左右邊墻和拱底四個關鍵位置處的最大主應力時程曲線，從中可知在在隧道運營期間，四處位置均出現了顯著的拉應力狀態，且拉應力峰值出現先后均與各自塑性區出現時機相一致。

圖4 隧道襯砌結構的最大主應力分布圖(單位kPa)

圖5 隧道襯砌結構關鍵點的最大主應力時程曲線圖

不同時刻下錨桿軸力分布圖（圖6）和左右邊墻和拱頂錨桿時程曲線圖（圖7）表明，隨隧道運營時間的增加，隧道錨桿軸力呈現先增大后減小的趨勢，當運營時間在20年至60年之間時，隧道錨桿處于較高的工作內力狀態，最大工作內力是其破斷力的75%左右，且在隧道100年的運營時間內，軸力較大的錨桿均位于在上述產生顯著塑性屈服的左右邊墻和拱頂位置。因此，從混凝土襯砌應力和錨桿軸力分布規律角度還可進一步驗證圍巖時效變形特性對隧道支護結構長時穩定性的顯著影響。

3.3 變形場分析

不同時刻下的混凝土襯砌位移云圖（圖8）和圖9所示四個關鍵監測點的位移時程表明，隨隧道運時間的增加，隧道拱底、左右邊墻和拱頂四個關鍵位置開始出現不同程度的變形集中區，位移集中變形區域與相同時刻下塑性區和最大主應力分布區域相同，且相同時刻下隧道對稱位置的變形量卻呈現明顯的不對稱性，變形量由大到小的區域依次為隧道拱頂、左側邊墻、右側邊墻、拱底。

圖6 隧道錨桿軸力分布圖(單位kN)

圖7 隧道關鍵位置錨桿軸力時程曲線圖

4 結論

綜上基于軟弱圍巖時效變形特性的石林隧道襯砌長期穩定性的數值模擬結果分析可知，無論是從混凝土襯砌的塑性屈服、應力場、位移場、錨桿內力的分布規律，還是隧道關鍵位置的時程曲線變化規律，均表明軟弱圍巖的時效變形特性顯著影響著隧道支護結構的長期穩定性，實際工程設計不能忽視圍巖時效變形特性對隧道支護結構長期穩定性的影響，實際施工過程中應采取諸如注漿加固改善圍巖力學特性的方法，提高圍巖的整體強度，減少甚是消除圍巖時效變形對隧道支護結構的影響，保證隧道結構的安全運營設計年限，否則會導致隧道混凝土襯砌開裂、錨桿破斷、隧道坍塌等工程事故。隧道運營期間應加強對隧道結構的連續監測，以便及時發現災害前兆，進而便于采取相應的處理措施。

圖8 隧道襯砌結構的總位移云圖（單位m）

圖9 隧道襯砌結構關鍵點的總位移時程曲線圖

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