高地應力隧道圍巖與支護結構作用研究

代超龍，張志強，尚明源

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

高地應力對巖土工程的影響是顯著的,尤其對于穿越大、埋深軟弱圍巖地下工程,如深埋采礦巷道、鐵路和公路隧道等[1]。與一般軟巖隧道相比，大斷面高地應力軟巖隧道具有圍巖位移顯著且持續時間較長、成洞性差、易發生塌方等特點，在隧道施工過程中多發生初期支護混凝土的開裂、掉塊，支護鋼架的變形錯斷等現象，施工比較困難[2]。

目前，諸多學者雖然對高地應力隧道支護結構在圍巖變形及應力分布方面進行了一些研究，如王建宇[2]等從地層特征曲線和支護-圍巖相互作用出發，闡述了可讓式支護的原理并給出了相關的設計施工要點；靳曉光[3]等針對高地應力深埋隧道工程采用數值模擬，分析隧道掌子面推進過程中的圍巖空間應力場狀態和演化趨勢；李樹軍[4]針對龍溪隧道大變形的特點及機理，確定了大變形地段安全、經濟、合理的支護參數；張德華[5]等對三臺階七步法施工高地應力隧道支護結構受力特性分析；黃鴻健[6]結合鎮堡隧道，采用數值模擬進行施工的圍巖變形預測，并與實測變形結果做了對比。然而這些方法均沒有考慮時空效應及施加錨桿對圍巖變形的控制作用，在此，本文采用Flac3D三維有限差分模型對高地應力隧道圍巖與支護結構作用進行研究，為高地應力隧道安全施工提供了有力參考，保證了隧道施工安全，具有重要的工程應用意義。

1　隧道施工過程滲流場數值分析

1.1　工程概況

大相嶺隧道位于四川省雅安市滎經縣和漢源縣交界處的大相嶺高中山區(圖1)，左線K53+804～K63+750，長9 946 m，進口高程約為1 526.54 m，出口高程為1 540.41 m；右線YK53+773～YK63+780，長10 007 m，進口高程為1 525.88 m，出口高程為1 540.21 m。采用人字坡穿越大相嶺嶺脊，進口至左線K58+650 m(右線為YK58+650 m)設計縱坡0.75 %，左線K58+650 m(右線為YK58+650 m)至出口設計縱坡-0.5 %。隧道穿越段最大埋深約1 660 m，屬于深埋特長越嶺公路隧道。

圖1　大相嶺隧道交通位置

1.2　計算模型及參數

根據隧道的結構特征和工程地質特征建立三維數值力學模型，計算模型的邊界范圍按如下要求選取：水平方向自隧道中心線至模型邊界取60 m；垂直方向自隧道底部向下約22 m；模型向上取至地表，地表距隧道頂面約為40 m；模型沿隧道縱向取60 m。模型共有20 544個節點，23 049個單元，模型網格劃分見圖2，支護示意如圖3所示。

圖2　整體模型

圖3　連續性圍巖錨桿支護方案設計

圍巖參數參考地質勘查報告和現行TB 10003-2005《鐵路隧道設計規范》(以下簡稱《隧規》)，錨桿采用樁單元，錨桿長度8 m，初期支護25 cm，二次襯砌50 cm。，具體參數分別見表1，其中錨桿計算參數根據室內試驗確定。

1.3　原始地應力場的模擬

在深埋隧道中地應力與一般的淺埋地應力情況不同，深埋隧道的地應力受到構造應力、與重力的雙重影響十分復雜，而由于地應力數值較大，如果模擬不準確，則可能對結果產生很大影響。因此，原始地應力場的模擬在高地應力下顯得尤為重要。高地應力條件下隧道的埋深往往很大，與以往計算所采用的直接把模型建至地表不同，埋深大的情況下考慮計算的經濟性和可行性只能截取部分巖體計算，所以，在邊界設置時上邊界為應力邊界，左右邊界及下邊界為位移邊界。

表1　圍巖及支護結構力學參數

圖4　地層最大主應力云圖(單位：N)

由圖4可知，經過應力初始化后模擬的地應力場的各個主應力值在隧道開挖區與工程勘測的隧區地應力值十分接近。因此地應力條件符合工程實際隧區原始地應力條件，在此初始條件下進行開挖模擬可以更準確地反映實際工程的情況。

1.4　計算結果分析

1.4.1圍巖洞周位移變化特征

在隧道開挖過程中，掌子面及其附近圍巖的變形具有明顯的時空效應，橫斷面、縱斷面豎向位移分別如圖5、圖6、表2。

圖5　掌子面前后豎向收斂曲線

圖6　掌子面前后邊墻水平收斂曲線

由圖5、圖6以及表2可知，目標面空間開挖效應相當顯著。開挖斷面變形效應影響其前后20 m范圍內，拱頂下沉總共達338.8 mm，其中掌子面后方(可量測變形)沉降207.70 mm，大于《隧規》允許拱頂下沉值133.35 mm；拱腳水平相對凈空收斂總共達523.02 mm，其中掌子面后方(可量測變形)水平收斂472.28 mm，大于《隧規》允許最大拱腳水平相對收斂值294.48 mm。因此，隧道斷面預留變形量確定為300 mm(選取基準：大于垂直和水平最大計算值294.48 mm)。

表2　隧道洞周位移統計表　mm

1.4.2掌子面擠壓變形特征

待挖核心土的失穩和洞室的坍塌往往都不是單一出現的，一般發生洞室坍塌時，都是待挖核心土的失穩在先，然后緊跟著洞室坍塌；在隧道掘進過程中，待挖核心體的形變(預收斂變形和掌子面的擠壓變形)的發生優先于洞室的收斂變形。待挖核心體的形變是地層形變的真正原因，待挖核心體的穩定性決定了隧道的整體穩定性。

從圍巖洞周位移變化特征可以明確得出：掌子面前方的變形占到掌子面后方(可量測變形)的12 %～63 %，因此掌子面的擠壓變形對隧道圍巖穩定性影響很大。圖7為坐標Y=30 m處掌子面隨原開挖推進的擠壓變形曲線。

圖7　掌子面擠出變形隨開挖推進曲線

從圖7可以明確看出：核心土擠壓變形隨著與工作面距離的減小迅速增加，當距離大于5 m時，影響較小，基本上呈線性增加；當開挖面與目標面距離小于5 m時，影響迅速呈指數形式增加。

從圖8～圖9知，掌子面最大擠出變形為22 cm，掌子面擠出效應相當明顯。且基本上以掌子面中部偏下方變形值最大，在垂向上下基本呈對稱分布。從擠出變形的最大數值上可以容易看出：對于高地應力軟巖地段，很有必要通過人為預加固措施來提高待挖核心體的剛度以減小待挖核心體的形變響應(預收斂變形和掌子面的擠壓變形)，從而控制洞室的收斂變形。

圖8　隧道軸向擠出變形等值線(單位：m)

圖9　掌子面擠出變形(等值線及云圖)

如圖10分析可知：隧道的開挖使地層出現了臨空面和該臨空面上的應力釋放，破壞了地層的初始應力平衡，引起應力的重分布；在這個過程中地層應力是連續變化的，地層經過應力重分布達到二次應力狀態或稱二次應力場。一般來說，二次應力場是三維場，掌子面前方的圍巖對已開挖的圍巖具有某種程度上的縱、橫向支撐作用，也就是所謂的拱效應。縱向拱效應使掌子面前方一定距離外的圍巖壓力豎向荷載增加，縱向拱效應在應力云圖上表現為前方的豎向應力增大，如前方一倍洞徑范圍內的應力集中。

圖10　掌子面周邊圍巖豎向應力云圖

1.4.3錨桿軸力特征

在圍巖強度比較小的軟巖中，隧道周邊圍巖發生塑性化，需以內壓效果和形成平衡拱效果為主。此時的錨桿由于其拉力而發揮阻止圍巖變形和塑性區擴展的作用，顯示出控制松弛區域的發生和發展的內壓效果。由于錨桿呈放射狀布置，而使圍巖從單軸狀態約束成三軸狀態，成為不易破壞狀態，抑制圍巖內塑性區的發生，防止凈空位移極度增大，隧道錨桿的軸力特征如圖11所示。

從軸力分布圖11來看8 m長錨桿是合適的，可以抑制塑性區發展，保證隧道穩定，其中邊墻錨桿的軸力達到10.01 t，最大軸力值位于距離洞周桿長的1/3～1/2處。拱頂錨桿軸力7.3 t，可以抑制塑性區的發展，加強隧道的穩定性，但是有效長度只有3 m，因此拱部錨桿3 m就可以有效起到穩定效果，從而降低工程造價，縮短工期。

圖11　隧道斷面錨桿軸力分布(單位：N)

從圖12中可以看出錨桿的法向剪力不大，均小于5 N，即在連續介質中，能用錨桿軸向拉伸阻力抑制與其方向相同的圍巖的相對位移，但是不能用錨桿的剪切阻力抑制與其軸向垂直方向圍巖的相對位移。錨桿綜合提高圍巖的抗剪強度(峰值強度)，即使破環，但破壞后的殘余強度值仍然較高，故其效果預計是理想的。

2　結論

(1)預留變形量確定：對于高地應力軟巖地段，宜通過預加固措施來提高待挖核心體的剛度以減小待挖核心體的形變響應(預收斂變形和掌子面的擠壓變形)，從而控制洞室的收斂變形。因此，隧道斷面預留變形量確定為300 mm。

(2)深埋軟巖隧道掌子面擠出變形研究：核心土擠壓變形隨著與工作面距離的減小迅速增加，當距離大于5 m時，影響較小，基本上呈線性增加；當開挖面與目標面距離小于5 m時，影響迅速呈指數形式增加。

(3)深埋隧道錨桿軸力分布規律：8 m長錨桿是合適的，可抑制塑性區發展，保證隧道穩定，其中邊墻錨桿的軸力達到10.01 t，最大軸力值位于距離洞周桿長的1/3～1/2處。拱頂錨桿軸力7.3 t，可以抑制塑性區的發展，加強隧道的穩定性，但是有效長度只有3 m，因此拱部錨桿3 m就可以有效起到穩定效果，從而降低工程造價，縮短工期。

圖12　隧道斷面錨桿剪力分布(單位：N)