軟巖地區雙隧道開挖的應力應變特征及動力響應研究

燕永平

(中鐵十六局集團路橋工程有限公司 北京 101500)

1 引言

近幾十年來，國內外的基建建設中隧道工程占據了大量的工程建設比重，國內外的諸多學者也對隧道進行了大量的研究[1－2]。例如:周鑫等[3]以杭州地鐵3號線工大站～留和站盾構區間雙線施工為依托，運用三維有限元軟件模擬盾構開挖施工的全過程，研究開挖過程對地層沉降及鄰近橋梁樁基影響規律。鮑先凱等[4]通過對貴陽地鐵1號線望新區間隧道開挖穩定性的關鍵因素分析及施工方法的數值模擬，結合現場實測，研究了回填土大跨超淺埋地鐵隧道開挖穩定性。劉淑紅等[5]為研究深埋非圓形隧道開挖引起圍巖的彈性和黏彈性變形解析解，首先通過復變函數的方法，得到了圍巖中位移的彈性解；之后，根據彈性－黏彈性對應原理，采用Burgers黏彈性模型，通過拉普拉斯變換和拉普拉斯逆變換，得到圍巖位移的黏彈性解。李巖松等[6]以省道205線老龍山隧道為工程背景，在考慮圍巖產狀影響的條件下利用薩道夫斯基爆破經驗公式對老龍山隧道附近既有建筑的爆破影響進行了分析研究。付曉強等[7]針對爆破信號干擾項消除難題，選取典型地鐵隧道工程監測到的畸變爆破信號為分析對象，采用稀疏化基線估計與去噪算法實現了噪聲和趨勢項成分的提取，得到反映真實爆破信息的校正信號。吳鵬[8]以錨塞體－圍巖復合體的極限抗拔力學模型為基礎，以極限平衡法為核心對懸索橋隧道錨楔形塞體的極限抗拔承載力進行了分析。曾志平等[9]采用有限元軟件建立了不同軌道模型，研究了不同軌道振動波傳遞的規律。本文在上述學者研究的基礎上，采用三維模擬、力學試驗、爆破振動監測等技術手段對軟巖地區的雙隧道開挖建設進行研究，旨在對該地區的雙隧道開挖進行全面解析，為雙隧道的安全施工提供科學的指導。

2 工程概況

某分離式雙線鐵路隧道穿越山脊，左線起訖樁號ZK2＋070～ZK2＋950，隧道長880 m，設計縱坡0.539%和－0.75%的人字坡；右線起訖樁號K2＋070～K3＋035，隧道長965 m，設計縱坡0.482%和－0.75%的人字坡；隧道最大埋深約110 m，凈距19～33 m，明洞5 m，洞身圍巖Ⅲ級1 611 m、Ⅳ級204 m、Ⅴ級25 m。該區域內的主要地層大概有3種，由上至下分別為:上部覆土層、中部砂巖層和下部硬巖層。根據當地的實際情況建立的模型如圖1所示。隧道建設區域的地質條件主要為剝蝕、溶蝕地貌，溝谷縱橫，地勢條件相對比較復雜，區域內地形變化較大，且延伸方向不穩定，近似為曲線走向，局部為陡壁。且隧道建設區域交通不便，隧道的埋藏區域位移構造帶，區域內存在次級斷裂和褶皺地質條件，為一斷裂破壞加劇的復式向斜構造，核部主要由三疊系、侏羅系地層。該構造帶大部分與其東西側歹字形構造復合，成為區內活動時間長、規模大、對區域沉積巖相、巖漿活動、變質作用起控制作用的構造。該地區內地下水主要受大氣降雨補給，同時地表水受降雨控制明顯，雨季流量大，枯水季節水量小。

圖1 模型示意

3 巖體的力學試驗及質量評價

3.1 巖體的力學試驗

該區域內主要地質巖層為3種，分別為上部覆土層、中部砂巖和底部的堅硬巖層，隧道的建設主要集中在砂巖巖層中。因此研究中主要對砂巖的物理力學性質進行了分析研究。通過現場鉆孔取樣的方式提取砂巖巖樣，并經切割打磨為標準試件，而后進行單軸抗壓強度試驗，單軸力學試驗的試驗結果如圖2所示。研究中將上部土層的力學參數和下部硬巖的力學參數通過查表得到。

圖2 單軸抗壓試驗的應力應變曲線(部分圖件)

根據圖2砂巖巖樣的單軸抗壓強度的試驗結果可知，巖塊在受到垂直應力的條件下，砂巖表現出不穩定的應力應變狀態，說明砂巖是不均勻的，力學性質容易發生變化。試驗過程中巖樣的殘余強度出現了4次，為安全起見，施工中以巖樣出現第一次峰值時的強度作為該砂巖的單軸抗壓強度。經計算得該巖石試件的單軸抗壓強度為27.63 MPa，彈性模量為8.76 GPa。

3.2 巖體的質量評價

巖體的質量評價方法主要是通過經試驗測得的巖石試件的物理力學性質，并根據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》(GB 51016—2014)和Hoek-Brown強度準則來共同確定。巖體質量評價中除巖石試件的力學性質外，還需要考慮巖層的結構面、地下水，節理面粗糙程度、爆破擾動以及結構面的膠結情況等。

因此根據現場鉆孔計算出巖石的RQD值，并根據上述因素計算得巖體的RMR和GSI值，而后采用巖體力學的計算公式即式(1)和式(2)對巖體的極限抗拉強度和抗壓強度進行計算。

巖體單軸抗壓強度計算公式:

巖體單軸抗拉強度計算公式:

經計算，并通過查閱《非煤露天礦邊坡工程技術規范》(GB 51016—2014)及相關資料，將該區域內的巖土體力學性質匯總如表1所示。

表1 巖體力學參數

4 雙隧道開挖靜力荷載數值分析

FLAC3D數值計算軟件對巖土體的形變量具有良好的分析基礎，且運算能力強大，對各類巖土體均有優越的算法，涉及各類巖土體的彈性模量、內摩擦角、內聚力、抗拉強度等都可進行系統的分析。本文研究中的雙隧道開挖中主要巖層為砂巖。由于砂巖的物理形變性質為彈塑性力學性質，因此隧道的破壞滿足彈塑性變形性質，即破壞形式主要分為:彈性變形階段、塑性變形階段和殘余變形階段。在此地質條件下，采用基于彈塑性應變理論的三維數值模擬方式對區域內的巖土體進行專項模擬，隧道的開挖部分采用空單元模型[10]模擬，采用摩爾－庫倫彈塑性理論[11－12]進行計算。

計算中對三維隧道模型進行邊界設置，由于計算參數是根據試驗和規范計算得來，因此設模型為均質體，計算中不考慮地下水的影響。根據現場測得的地應力對模型的頂部和四周進行應力邊界設置。模型的底部和四周為固定邊界，模型頂部在設置重力作用后，設置為自由邊界。

為了解該區域內的巖層地質條件在隧道開挖后的情況及應力分布情況，對雙隧道開挖后的周邊巖體位移及應力進行全面分析。由于隧道上部存在上覆巖層，上覆巖層主要受重力作用的影響；而隧道開挖時監測隧道的收斂情況及隧道的水平方向位移。因此模擬中主要對隧道的水平位移和垂直應力進行全面的分析討論。

由圖3可知，隧道開挖后，隧道兩側的位移變化相對較大，主要位移集中在雙隧道的相鄰兩側(即雙隧道中部巖柱)。其最大位移量為280 mm，該區域內的位移量大大超出了巖體的形變量，說明隧道開挖后，需進行支護，否則有塌陷危險。

圖3 雙隧道開挖后隧道位移云圖

根據圖4可知，雙隧道開挖后，隧道上部和周邊的垂直應力分布相對均勻，且雙隧道頂部受到的垂直應力相對較大。眾所周知，隧道的拱頂破裂為巖石的拉伸破壞。根據計算結果可知，雙隧道頂部的應力達0.05 MPa，而巖體的極限拉伸破壞強度約為0.01 MPa，大大超出了巖體的極限抗拉強度，因此，開挖過程中，隧道頂部的巖層可能會垮塌。

圖4 雙隧道開挖后隧道周邊垂直應力分布

由圖5可知，雙隧道開挖后，1＃隧道左右拱腰的位移變化量存在很大差異。其中，1＃隧道左腰的位移量遠小于隧道右腰的位移量。雖然左右拱腰的位移量均隨著開采的進行不斷上升，但是隧道左腰的位移量上升趨勢較小，且處于可控狀態，而1＃隧道右腰的位移量近似呈“指數”增長，位移量處于不可控狀態，由此可知，1＃隧道右腰極易出現坍塌、片幫等現象。

圖5 1＃隧道左右拱腰水平位移分析

由圖6可知，雙隧道開挖后，2＃隧道左右拱腰的位移變化量存在很大差異。其中，2＃隧道右腰的位移量遠小于隧道左腰的位移量。2＃隧道開挖后的隧道形變量與1＃隧道極為相似，均處于上升狀態。且隧道右腰處于可控狀態，隧道左腰的位移量近似呈“指數”增長，位移量處于不可控狀態，因此2＃隧道的左腰同1＃隧道的右腰一樣，可能出現片幫等不良施工現象。

圖6 2＃隧道左右拱腰水平位移分析

綜上所述，該區域內隧道的開挖需進行超前支護，并需要在施工過程中對隧道的收斂情況進行監測。實踐證明，此雙隧道開挖支護方式實施以來，隧道的內部形變量很低，由此可見，采用超前支護的方法對隧道的開挖有良好的保護作用。

上述對隧道的分析只考慮了隧道的靜力荷載條件，由于隧道所處的巖層為砂巖，從試驗結果來看，砂巖的物理力學性質不太穩定，且力學性質的分布也不均勻，因此開挖過程中采用爆破的方式進行，局部巖段采用的裝藥量會相對較大，因此需對部分裝藥量大的位移進行爆破振動監測，以保證相鄰隧道的安全。

5 雙隧道爆破振動分析

根據隧道的開挖順序及上述的模擬結果發現，1＃隧道的右腰和拱頂還有2＃隧道的左腰和拱頂存在坍塌和垮落的風險，因此，分別在1＃隧道的右腰、拱頂和2＃隧道的左腰和拱頂分別設置監測點，共設置4個監測點。其中1＃隧道右腰和拱頂的監測點為1＃監測點和2＃監測點，2＃隧道的左腰和拱頂為3＃監測點和4＃監測點。

各監測點的監測內容主要包括爆破振動波在三維方向上的傳播速度，即x方向、y方向和z方向(x方向為隧道的水平方向，y方向為隧道的縱向方向，z方向為隧道的垂直方向)。根據各監測點的爆破振動波形圖(1＃測點見圖7，其他測點限于篇幅未列)分析如下:

圖7 1＃測點爆破振動波形

(1)從圖7可以看出，在采用超前支護的前提條件下，2＃隧道爆破時對1＃隧道右腰和拱頂的擾動相對較小。其中1＃x方向的最大爆破速度約為0.17 cm/s；z方向的爆破速度次之，約為0.15 cm/s；y方向的傳播速度最小，約為0.13 cm/s。

(2)2＃監測點x方向的最大爆破速度約為4.09 cm/s；y方向的爆破速度次之，約為3.76 m/s；z方向的傳播速度最小，約為3.00 cm/s。說明爆破振動波對隧道拱頂水平方向的爆破振動最大。

(3)1＃隧道爆破時對2＃隧道右腰和拱頂的擾動也不大。其中3＃監測點x方向的最大爆破速度約為0.50 cm/s；y方向的爆破速度次之，約為0.31 m/s；z方向的傳播速度最小，約為0.30 cm/s。

(4)4＃監測點x方向的最大爆破速度約為3.45 cm/s；y方向的爆破速度次之，約為2.40 m/s；z方向的傳播速度最小，約為1.90 cm/s。說明爆破振動波對隧道拱頂水平方向的爆破振動最大。

6 結論

本文通過對某鐵路雙隧道開挖過程中的地質條件影響和施工爆破影響進行了全面的分析，具體結論如下:

(1)雙隧道的開挖巖層為砂巖，其物理力學性質容易發生變化，試驗過程中巖樣的殘余強度出現了4次，說明砂巖是不均勻的。根據安全最大化的原則，經計算砂巖試件的單軸抗壓強度為27.63 MPa，彈性模量為8.76 GPa。

(2)通過數值分析可知，隧道開挖時，周邊巖體很不穩定，極易發生冒落及片幫，在開挖前對周邊巖體采用超前預加固措施，可確保隧道開挖安全、穩步進行。

(3)通過對雙隧道的爆破震動監測可知，雙隧道在開挖過程中，爆破振動無論是拱頂上還是左右拱腰上，振動對另外一個隧道的水平方向影響最大，因此爆破開挖中應采用微差控制爆破來控制爆破的擾動，以維護隧道的穩定性。