高地應力軟巖大變形隧道穩定性判據研究

朱永全 孫明磊 李文江

(石家莊鐵道大學, 石家莊 050043)

1 隧道結構體系及其穩定性定義

(1) 隧道體系

一般隧道由支護結構與襯砌圍巖兩部分體系構成，在隧道體系中承受荷載的主要是圍巖部分。圍巖，特別是軟弱圍巖開挖后，在隧道施工擾動和周邊應力集中作用下，隧道周邊一定區間內的圍巖會產生局部松動甚至損傷，這部分圍巖需要進行加固或支護。因此，隧道穩定性的主要控制對象是圍巖，既應充分發揮圍巖的自承能力，又不能使圍巖出現松動，保持圍巖的穩定性。換言之，即可使圍巖產生適量的塑性變形，但不允許圍巖產生過度塑性變形。

隧道支護系統一般由噴射混凝土、錨桿、鋼架、鋼筋網等部分組成，支護系統對圍巖穩定起到“支”和“護”的作用。其中“支”是指向圍巖施加支護作用力，使洞壁周圍巖徑向應力增大，打破周邊巖體的原始應力狀態，受力狀態由雙向轉變為三向；“護”是指封閉、改善被擾動圍巖的完整性，從而提高圍巖的穩定性，也就增加了支護體系的穩定性。

(2)隧道穩定性

軟弱圍巖是指強度低的地質軟巖和破碎巖，具有強度低、圍巖自穩能力差的特點，隧道施工中，易出現大變形、持續時間長、變形速率大等特征[1]。

隧道多采用復合式襯砌形式，體系中主要以支護保證圍巖的穩固[2]。因此，隧道穩定性主要是指圍巖穩定和支護后隧道的穩定情況。因此，一般軟弱圍巖隧道的穩定性定義為隧道不發生圍巖坍塌，襯砌周邊位移適量、可控，支護結構不侵限、不產生較嚴重的破損和裂縫。

(3)圍巖穩定極限狀態

一般開挖后，隧道周邊圍巖都有一定范圍的塑性區或屈服區出現，但并不一定會出現圍巖失穩。當塑性過程開始出現突變塑性應變或加速變形時，圍巖材料將變成塑性流動狀態，該部分圍巖因過大變形而松動，擾動后極易失穩、坍塌，因此施工中應及時支護，及時約束圍巖塑性應變突變，保持圍巖穩定。

因此，可定義圍巖在隧道開挖后發生位移加速變形或圍巖塑性應變發生突變時的狀態，為圍巖的穩定極限狀態，同時定義極限狀態下的襯砌位移為圍巖極限位移。

2 軟弱圍巖穩定性判別應用實例

2.1 突變狀態下塑性應變理論的原理[3-4]

連續介質彈塑性力學有關塑性屈服理論在典型條件下有經典理論解，在非線性理論中的突變理論也有相關問題的論述。Zeeman首先提出尖點突變模型[5-7]，模型的勢函數是二參函數(兩個控制變量u和v)，其狀態變量為x，即：

V=x4+ux2+vx

(1)

平衡位置需要相應滿足：

(2)

勢函數中葉的極大值點為平衡位置的臨界狀態，而勢函數上下葉的其它位置點為穩定狀態。在曲面作豎向切線需符合：

(3)

式(3)點附近，實際為曲線上的拐點。勢函數兩階導數為零的拋物線如圖1所示。

圖1 勢函數兩階導數為零的拋物線圖

根據尖點分叉集理論得到方程:

Δ=8u3+27v2

(4)

式(4)可作為圍巖發生位移失穩的充要判斷依據。當Δ>0時，圍巖狀態穩定；Δ=0時，圍巖狀態為非穩定與穩定的臨界點；Δ<0時，圍巖狀態不穩定。

2.2 關角隧道二郎洞斷層穩定性分析

(1)工程概況

采用鉆爆法施工的關角隧道，雙洞單線全長32.6 km。隧道地區大地構造活動強烈，隧道通過14條次級斷裂和3條區域性斷裂，其中斷裂發育最強烈部分為二郎洞段。二郎洞斷層物質組成含石炭系板巖、下元古界混合片麻巖，斷層泥礫和碎裂發育，區段隧道最大埋深為300 m。二郎洞斷層區域隧道設計的支護采用厚28 cm 的C25混凝土，φ25系統自進式錨桿，縱向×環向間距0.5 m×1.5 m，1榀/0.5 m I20a型鋼鋼架，設計斷面如圖2所示。

圖2 隧道橫斷面示意圖(cm)

(2)計算模型

根據區段隧道埋深約為300 m的實際情況，建立二維有限元模型，模型底部采用位移約束，頂部及左右側采用應力邊界約束，計算模型如圖3所示。根據斷層破碎巖體相關試驗及位移的分析成果，取圍巖計算參數如表1所示。按照實際施工中的臺階法進行模擬，分別考慮上、下臺階開挖過程中的變形發展趨勢，對開挖過程中的隧道失穩狀態進行分析。

圖3 計算模型示意圖

表1 圍巖計算參數表

(3)計算結果

上、下臺階開挖中，圍巖出現應變突變時的位移如表2所示。

表2 出現圍巖應變突變時的圍巖位移表

由表2可知，圍巖位移變形伴隨地應力釋放系數在開挖過程中產生了突變，突變點一般晚于塑性應變。

這種極限位移是在整個應力釋放過程中得出的全部位移，與現場監測手段獲得的位移相比，監測結果并未記錄測前已發生位移。監測前期丟失的位移可在一定假設下計算補充。假設全部位移表示為：

U全部=u前期+u監測

(5)

式中：U全部——量測的全部位移；

u監測——監測的位移；

u前期——測點前期發生的位移。

u前期可通過模擬結果得到的總位移中前期位移所占的比例進行估算，即：

u前期=β×u監測

(6)

式中：β——前期變形釋放率。

對該區段數值模擬結果進行分析，計算結果如表3所示。

表3 開挖前測點處洞周變形計算結果表

若開挖至第1次監測讀數的時間不超過1 d，假設監測后位移變化規律與監測前一天一致，則可通過回歸位移曲線前推，估算監測前的位移變化。

借用該區段隧道施工變形監測結果，施測前 第1天位移量計算如表4所示。

表4 各試驗斷面施測前第1天位移值表(mm)

考慮到實際工程中，由于圍巖性質、隧道斷面大小、開挖技術等的不同，前期位移會存在一定的離散性。因此，在上述數據處理過程中，應通過大量計算、統計，找出不同條件下的u前期位移供實際應用。

(4)現場實驗驗證

在隧道施工過程中，DyK 304+495、DyK 304+490兩斷面前期變形相對穩定，當隧道施工到DyK 304+471位置時，前述兩試驗斷面監測位移發生加速，當邊墻水平位移累計為255 mm、拱頂沉降121 mm時，位移速率增至 39 mm/d，隧道開始產生支護混凝土開裂、鋼架扭曲等現象。

該斷面實測和前期拱頂沉降分別為121 mm和110.7 mm，兩者之和為231.7 mm，接近247 mm的計算極限值；該斷面實測和前期墻腰水平收斂分別為 255 mm和221.3 mm，兩者之和為276.3 mm，超過356 mm的計算極限值?，F場觀察發現支護結構破損較嚴重，采用長錨桿進行圍巖加固補強后，才實現了區段隧道穩定。

3 大變形控制技術及經驗

目前，國內外類似工程可供借鑒的經驗，包括長錨桿、多重支護和可縮性支護等支護形式，以及超前導坑應力釋放、增大邊墻曲率等輔助計算措施，但缺少分部開挖工法、及時支護封閉施工方法等方面的內容[8-10]。

蘭新鐵路烏鞘嶺隧道的成功修建是在高地應力隧道軟巖大變形有效控制方面取得的巨大進步，采取的超前導坑、多重支護施工方法、邊讓邊抗等措施，有效控制了圍巖變形，所取得的成果為類似工程奠定了較好的研究基礎，但同時也存在支護拆換、襯砌開裂、錨桿作用不突出、支護封閉不及時等問題。其它鐵路典型隧道軟巖變形控制水平與烏鞘嶺隧道基本相同，但也有各自的特點。如蘭渝鐵路軟巖隧道更加強調多重支護，成蘭鐵路軟巖隧道則更注重錨桿的作用，麗香鐵路軟巖隧道采用加強洞室邊墻曲率等。

在軟巖變形控制措施方面，若支護措施不當，會發生侵限，目前采取的補救措施是拆撐和換撐。對于支護對象本來就是很破碎的巖體，在這些“二次支護”理論指導下，巖體在多重支承壓力作用下得到了更加充足的時間，使其應力釋放而加速變形，對圍巖多次擾動，導致圍巖松動范圍逐漸增大，隧道周邊的塑性區擴大。特別是支護不及時或結構剛度、強度不足時，圍巖破壞范圍更大，對后期拆換的支護強度要求更高，從而不得不采用被動的“剝皮”支護，造成多次拆撐或換撐，形成惡性循環。

4 相關問題的思考

4.1 理想彈塑性連續介質理論與實際的矛盾

本文在假設理想彈塑性介質連續的條件下，對圍巖極限狀態通過塑性應變突變的原理進行判別。隧道開挖后，圍巖應力的調整過程如圖4所示。

圖4 隧道開挖后圍巖應力調整過程示意圖

4種圍巖應力調整結果如下：

(1)無支護彈性穩定狀態

洞周變形以彈性變形為主，圍巖無需支護，自身能夠達到平衡狀態。

(2)無支護塑性穩定狀態

隧道周邊將出現塑性區，圍巖以塑性變形為主，在無支護條件下，圍巖能通過調整塑性區的分布范圍來達到新的平衡狀態。

(3)支護作用下的穩定狀態

二次應力超過圍巖的屈服極限，采取支護措施后，圍巖應力達到新的平衡狀態。

(4)失穩狀態

當支護不及時或者支護力不足時，隧道圍巖將失穩破壞。

假設理想彈塑性介質連續，則與已有工程經驗的早、強、多層支護做法相矛盾。理想連續介質可通過釋放變形減小圍巖壓力。實際破碎圍巖變形越大、松動區越大，需要支護的圍巖壓力越大，現有的結構、材料支護能力有限，支護失效后，拆換導致松動區越來越大，需要的支護能力越來越強。

4.2 近區圍巖塑性流動、松動后應力釋放與穩定性分析方法

當塑性過程發展到塑性應變突變或變形加速狀態時，圍巖塑性狀態為流動狀態，該部分的圍巖變形過大且已松動，圍巖介質是松動區和連續區的不同介質型式，圍巖壓力拱范圍如圖5所示。

圖5 圍巖壓力拱的范圍圖

在軟巖隧道施工變形控制實踐中，總結出了以下的有效經驗：

(1)大變形隧道的圍巖介質多為層狀軟巖、破碎巖，節理裂隙發育，隧道開挖后立即發生松動變形，正常支護的施工條件下，統計其松動圈深度為2.0～10.0 m，形成的支護壓力較大，需要較大剛度的支護。

(2)為減小松動壓力，需要更及時地支護。

(3)在圍巖松動的同時，存在較大的塑性變形，簡單的大剛度支護不適合，需采用多層支護、可縮式支護。每次的支護拆換會增大松動圈，需要更大剛度的支護。

(4)近區圍巖塑性流動松動、深部為連續介質條件下，高地應力軟巖大變形隧道穩定性理論分析與判據方法有待深入研究。

5 結論

(1)軟弱圍巖隧道開挖后，在隧道施工擾動和周邊應力集中作用下，隧道圍巖在一定區間內發生局部損傷和松動，這部分圍巖需要進行加固支護。因此，開挖過程中應發揮隧道周邊巖體的自承能力，圍巖可以產生適量的塑性變形，但不能出現因過大變形引起松動而破壞圍巖的穩定性。

(2)一般情況下，隧道開挖后周邊圍巖都有一定范圍的塑性區或屈服區出現，當塑性過程發展到塑性應變突變或變形加速時，圍巖材料將變成塑性流動狀態，該部分圍巖因過大變形而松動，擾動后極易失穩、坍塌。

(3)在近區圍巖塑性流動松動、深部為連續介質條件下，高地應力軟巖大變形隧道穩定性理論分析與判據方法有待深入研究。