相山隧道圍巖變形風險評估及控制對策研究

張政

（中國鐵路上海局集團有限公司 合肥鐵路樞紐工程建設指揮部，安徽合肥 230041）

0 引言

山區隧道修建常會受到基巖破碎、褶皺及斷層等不良地質條件的影響，從而易造成圍巖強度降低及洞周應力集中，進而導致施工隧道產生變形并誘發失穩破壞，既造成經濟損失，也產生安全隱患。

針對隧道變形問題，丁秀麗[1]等依據國內外工程案例，闡明多種因素對隧道變形的影響機理，并將所提出的判據及公式應用于實際；郭新新[2]等從蠕變角度入手，分析考慮蠕變特性下的隧道變形特性；楊林霖[3]等對各支護參數施加敏感性展開分析，對現場施工工序進行改進，達到控制隧道變形的目的；孫克國[4-6]等在傳統主動支護結構基礎上，結合波紋板、鋼筋網等新型支護材料，構建隧道整體支護體系，共同控制隧道變形。

上述研究為隧道變形控制提出了豐富的思路及方法。但現場施工往往受到多種因素的影響，因此應基于現場實際情況，因地制宜地提出隧道控制方案。本文以安徽省相山隧道為工程背景，分析隧道開挖與圍巖變形之間的關系，通過FLAC3D數值模擬計算隧道變形情況，研究不同開挖方式對隧道變形的影響，并探究相應支護體系對隧道變形的控制作用。

1 工程背景

相山隧道主體所在區域位于淮北市、宿州市蕭縣境內的相山西北部，地貌為剝蝕低丘，山體呈北北東向分布，區內地形稍有起伏，相對高差為30～144 m。山體主要由鹽酸巖夾碎巖屑組成，多為單斜地形。坡麓地帶的小型溶洞、溶溝（槽）、石芽等巖溶地貌發育。線路經過區內基巖露出地表，主要巖性為寒武系中薄層的白云質灰巖、泥質粉砂巖，呈北北東，東北向。

由超前地質預報結果可知，相山隧道洞身穩定性條件較差，沿線共涉及5 處斷層破碎帶、褶皺等，其圍巖級別統計如表1 所示。尤其該隧道進口段（圖1）位于采石場區域內，受采石爆破影響，造成該部分巖體裂隙發育、基巖破碎，基本處于Ⅴ級圍巖范圍內，若不采取強制措施，易導致進口段隧道圍巖變形量增大，最終導致失穩破壞。

圖1 隧道進口位置示意圖

表1 相山隧道圍巖分級表

2 相山隧道圍巖變形風險評估

為探究高風險條件下相山隧道圍巖變形問題，使用FLAC3D有限元計算軟件，對相山隧道進口里程DK5+080 ～DK5+110范圍內共計30 m 長隧道建立數值計算模型。如圖2 所示，模型尺寸為60 m×30 m×60 m（長×寬×高），采用全斷面開挖，每次開挖進尺為0.6 m，并在拱頂設置三個測點（圖3）對拱頂沉降展開監測。

圖2 計算模型示意圖

圖3 數值模擬結果

巖體各項基本力學參數由現場取樣，并進行室內力學試驗獲得。建模范圍內巖體主要為緬狀含白云質灰巖，其各項力學參數如表2 所示。

表2 巖體力學參數

圖3 所示為隧道沉降數值模擬結果，由圖3(a)可知，隧道開挖造成的圍巖變形主要來自于拱頂沉降和底鼓，達到平衡狀態后，拱頂總沉降量為663 mm，總底鼓量為451 mm。圖3(b)所示為隧道拱頂下沉曲線，頂板最大沉降位于拱頂中部位置，在開挖方向與巖體最大水平主應力方向一致的情況下，拱頂左右兩側沉降量基本一致，且變化規律相似。在掌子面前5 m 范圍內，拱頂開始產生沉降，在到達掌子面位置處時，三個監測點的沉降量分別為66.13 mm、47.58 mm 及14.75 mm。當經過掌子面，在掌子面后0～10 m 范圍內，拱頂沉降量開始急劇升高，當到達掌子面后10 m 位置處時，3 個測點的沉降量分別為376 mm、433 mm及562 mm。在掌子面后10～20 m 范圍內，拱頂沉降速度開始緩慢降低，并在掌子面后20 m 范圍外趨于恒定。達到恒定狀態時，三測點的沉降量分別為663 mm、507 mm及489 mm。

由數值模擬結果可知，由于隧道圍巖性質較差，在開挖完成后會造成較大圍巖變形，存在變形失穩風險。若不采取相應手段進行控制，將會誘發隧道整體失穩破壞。

3 相山隧道變形控制對策研究

本文主要通過開挖方式改變及支護手段控制兩方面對相山隧道變形控制進行分析。

3.1 開挖方式影響

在使用鉆爆法開挖過程中，使用二臺階或三臺階法能夠降低單次開挖對圍巖擾動的影響。因此可通過在Ⅴ級圍巖所在區域使用二臺階及三臺階法進行數值計算，構建二臺階及三臺階模型，如圖4 所示。

圖4 臺階法開挖模型

臺階法模型尺寸、邊界條件及巖體物理力學參數等均與第3 節中類似。其中，二臺階法使用超短臺階法開挖，上臺階超前下臺階4.8 m交替開挖；三臺階法開挖時，中臺階滯后上臺階4.8 m，下臺階滯后中臺階7.2 m 開挖。分別整理臺階法開挖過程中拱頂沉降量與全段面法開挖的對比，得到對比圖（圖5）。

圖5 不同開挖方式拱頂沉降對比

由圖5 所示不同開挖方式下拱頂沉降對比可知，全段面法、二臺階法及三臺階法開挖過程中，拱頂最終沉降量分別為663 mm、647 mm 及632 mm，以全斷面法為基準，使用二臺階法及三臺階法開挖，最終沉降量分別為全段面法開挖的98%、95%。說明開挖方式的改變能在一定程度上降低圍巖變形。尤其在V 級圍巖情況下，使用三臺階法配合臨時仰拱施工，能夠將大斷面劃分成自上而下的3 個小單元開挖，縮小開挖面，同時臨時仰拱能將每個小單元及時封閉成環，形成環向受力，從而有效發揮初期支護整體受力效果，阻止結構變形。

3.2 支護措施控制

基于3.1 節計算結果，針對相山隧道進口處基巖破碎的實際情況，擬采用三臺階法進行開挖，同時施加聯合支護措施，增強圍巖整體強度。其主要工序包括以下幾部分：

（1）掌子面開挖前，沿隧道縱向在拱部開挖輪廓線外向上方傾斜一定角度設置超前小導管，加固掌子面前方圍巖；

（2）掌子面開挖后，沿隧道臨空面支設鋼架及錨桿，并噴射混凝土將其覆裹在內。由鋼架、錨桿及噴射混凝土等共同組成的支護體系，起到初期臨時支護的作用，同時又作為永久支護的一部分；

（3）隨初期支護完成，在圍巖變形趨于穩定后，需要進行第二次支護及封底，通過補噴射混凝土，封閉整個開挖面，起到提高安全度和增強支護體系整體強度的作用。

以上過程中應用到的主要支護措施參數如表3 所示。

表3 主要支護措施參數

為驗證表3 中各項支護措施是否能有效控制相山隧道圍巖變形，構建圖6 所示支護狀態下數值計算模型。

圖6 數值計算模型

本節中隧道使用三臺階法開挖，模型尺寸、邊界條件及巖體物理力學參數等均與第3 節中類似。隧道內部襯砌結構在建模過程中提前建立，隨開挖賦予elastic本構關系，通過改變參數大小，分別模擬不同等級混凝土襯砌，其中C25、C35 混凝土參數值如表4 所示。初期支護錨桿使用FLAC3D內置cable（CABLE）結構單元進行模擬，并通過Fish 語言控制錨桿施加時機。鋼架則是使用liner 單元結構沿隧道內壁施加，與襯砌錨桿共同作用，限制隧道變形。

表4 噴射混凝土參數

如圖7 所示為支護力共同作用下隧道變形云圖及拱頂沉降曲線。相較于無支護開挖，圍巖整體變形量大幅降低，拱頂最大沉降量降低至36.6 mm，最大底鼓量降低至28 mm，符合施工隧道正常沉降量范圍。且隧道在掌子面后20 m 位置達到平衡，說明使用“三臺階法+聯合支護”的方式可有效控制隧道圍變形破壞發生，預防圍巖變形量過大而造成隧道的整體失穩破壞。

圖7 聯合支護作用下隧道變形

4 結論

本文基于相山隧變形情況，采用理論分析、數值模擬相結合的方式，得到如下結論：

（1）隧道變形受圍巖強度及內部應力影響，相山隧道在無支護極端情況下，拱頂最大下沉量為663 mm，最大底鼓量為451 mm，具有變形失穩風險；

（2）對比分析全斷面開挖、二臺階開挖及三臺階開挖情況下隧道變形可知，三臺階開挖能夠在一定程度上降低圍巖變形，且支護能夠及早閉合，增強抵抗變形能力；

（3）在使用“三臺階法+聯合支護”的控制手段下，拱頂最大沉降量降低至36.6 mm，表明該控制體系能有效控制圍巖變形。