高地應力區隧道開挖圍巖變形與應力研究

作者簡介：梁 夏（1987—），工程師，研究方向：橋梁與隧道工程。

摘要：高地應力條件下隧道開挖時圍巖變形與應力分布特點與常規認知有較大差異，給隧道設計帶來巨大挑戰。為此，文章采用數值分析方法，基于實際工程圍巖性態特點，系統性地研究了圍巖初始地應力狀態與圍巖等級對隧道開挖的影響。研究發現：隨著圍巖初始地應力的增加，圍巖變形與應力快速增加，因此即使是同一種圍巖，地應力上升時仍需要相應提高支護結構強度；隨著圍巖等級的增加，圍巖變形快速增加，圍巖應力稍有減小，因此支護結構選擇時考慮的最重要影響因素除了圍巖等級外，初始地應力狀態非常重要。

關鍵詞：隧道開挖；高地應力；初始地應力；圍巖等級；圍巖變形；圍巖應力；支護結構

中圖分類號：U456.3⁺1

0 引言

隨著我國隧道建設向著西部高山地區推進，越來越多隧道呈現出“大埋深、大斷面、地質極其復雜”等特點，深部圍巖變形與應力分布難以預測與判斷，給隧道設計帶來巨大挑戰。

目前關于高地應力區隧道的研究大多在軟巖大變形與硬巖巖爆方面，對前者研究集中在大變形分級與支護方案優化上，對后者研究集中在巖爆機理與防護措施改良上。劉志春等^[1]以烏鞘嶺隧道為例，結合現場實測與理論分析結果，提出了以圍巖相對變形、強度應力比、地應力強度等為指標的軟巖大變形綜合判定方法。武建廣等^[2]結合多條隧道現場實測板巖大變形特點與施工變更方案，對實際圍巖分級進行修正，對支護參數適應性進行分析。劉宇鵬等^[3]采用理論分析的方法，建立錨桿長、短聯合支護模型，論證了聯合支護方法對于控制圍巖變形與塑性區分布的有效性。田青峰等^[4]以數值分析方法分析了高地應力下水平成層巖體在構造應力與開挖卸荷影響下彈性應變能的變化特點，進而對掌子面巖爆概率進行預測。賈蓬等^[5]采用RFPA^3D軟件模擬真三軸加卸載試驗，對不同高度與傾角巖體在加卸載作用下的破壞機理與特征進行分析，得到了巖體破壞的影響因素。唐杰靈等^[6]研發了適用于巖爆防治的柔性防護網系統，基于現場實測與數值分析結果對防護網效果進行分析，對材料選擇進行優化。

本文采用數值分析方法，結合某深埋隧道的圍巖與地應力狀態，對不同地應力水平與圍巖等級下隧道開挖引起的圍巖變形與應力分布進行深入分析，以期為類似隧道設計、支護方案與施工優化提供參考。

1 工程概況

某隧道位于甘肅省，長20 050 m，最大埋深1 030 m，主要為砂質板巖，構造應力較為明顯，施工過程中多次出現軟巖大變形導致的噴射混凝土開裂、鋼拱架扭曲等現象，施工過程中風險較大，進行了多次設計變更，最終確定了臺階法施工與長、短錨桿（8 m+4 m）聯合加固方法，并根據變形等級對支護厚度與層數進行了調整。

2 數值分析

為了分析隧道地應力水平與圍巖等級對圍巖變形與應力的影響，建立二維地層-結構模型進行數值分析。

2.1 參數選取

依據公路隧道設計規范，選定不同等級的圍巖力學特性參數如表1所示，支護結構力學參數如表2所示。根據高地應力分級標準，選定不同初始地應力水平如表3所示，對應選定隧道埋深分別約為250 m、500 m、750 m、1 000 m，計算工況如下頁表4所示。

2.2 模型的建立

建立的模型尺寸為X×Y=100 m×80 m，隧道開挖及支護斷面凈寬為12.2 m，凈高為9.8 m，X軸為水平方向，Y軸為豎直方向（重力方向）。在模型的左右兩側與前后兩側施加水平約束，底部施加豎直約束，上邊界不加約束，定義為自由面，上部施加均布荷載，等效埋深。圍巖遵循摩爾-庫侖屈服條件，其余材料如襯砌與錨桿均采用線彈性材料。采用臺階法施工，在隧道四周采用加密網格，施工簡化為七步：（1）開挖上臺階；（2）施作上臺階初支與錨桿；（3）開挖下臺階；（4）施作下臺階初支與錨桿；（5）施作仰拱填充；（6）施作二襯。整體模型與隧道支護細部模型見圖1。

2.3 計算結果

不同隧道埋深時圍巖水平變形與豎直變形如圖2與圖3所示。由圖2～3可知，隨著隧道埋深的增加，圍巖變形分布狀態變化不大；變形數值有所增加，但增加幅度逐漸減小。當隧道埋深為250 m、500 m、750 m、1 000 m時，最大水平變形分別為5.7 mm、10.5 mm、15.4 mm、20.3 mm，最大拱頂沉降為29 mm、54.5 mm、80.1 mm、105.6 mm，最大拱底隆起為25.2 mm、46.6 mm、67.9 mm、89.3 mm。

不同隧道埋深時圍巖水平應力與豎直應力的變化如圖4與下頁圖5所示。由圖4、圖5可知，隨著隧道埋深的增加，圍巖應力向著隧道拱圈附近集中，埋深越大越明顯；且隨著埋深增加，圍巖應力增加，但增加幅度逐漸減小；最大水平應力出現在拱頂，最大豎直應力出現在拱腰，拱底有較小的拉應力但數值變化不大。當隧道埋深為250 m、500 m、750 m、1 000 m時，最大水平應力分別為5.1 MPa、9.5 MPa、13.8 MPa、18.2 MPa，最大豎直應力分別為12.7 MPa、23.7 MPa、34.7 MPa、45.7 MPa。

不同工況時，圍巖變形與應力計算結果如下頁表5所示。由表5可知，相同圍巖參數時，隨著隧道埋深的增加，圍巖變形與應力均增加，增加幅度逐漸減小；相同隧道埋深時，隨著圍巖等級增加（圍巖變差），圍巖最大變形減小，應力稍有增加。相比圍巖等級，隧道埋深對圍巖變形與應力影響更大，因此隨著隧道埋深增加，對應地應力等級發生變化時，圍巖大變形等級會提升，即使對同一種圍巖，支護結構仍需要加強。

3 結語

本文結合某深埋高地應力隧道，采用數值分析方法進行了隧道埋深與圍巖等級的雙影響因素計算，得到以下主要結論：

（1）相同圍巖等級時，隨著隧道埋深的增加，圍巖變形與應力增加，增加幅度逐漸減小，拱頂沉降稍大于拱底隆起。

（2）相同隧道埋深（地應力水平時），隨著圍巖等級增加（圍巖變差），圍巖變形減小，應力增加，變形減小程度較大，應力增加程度較小。

（3）相比圍巖等級，隧道埋深對圍巖變形與應力影響更大，當對應的地應力水平等級增加，隧道支護結構應相應加強。

參考文獻：

[1]劉志春，朱永全，李文江，等.擠壓性圍巖隧道大變形機理及分級標準研究[J].巖土工程學報，2008（5）：690-697.

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[3]劉宇鵬，夏才初，吳福寶，等.高地應力軟巖隧道長、短錨桿聯合支護技術研究[J].巖石力學與工程學報，2020，39（1）：105-114.

[4]田青峰，袁照輝，張 睿，等.高地應力水平巖層隧道巖爆機制研究-以大峽谷隧道為例[J].隧道建設（中英文），2021，41（S1）：223-231.

[5]賈 蓬，楊 楠，劉冬橋，等.組合巖石真三軸加卸荷條件下的破壞機理[J].中南大學學報（自然科學版），2021，52（8）：2 867-2 875.

[6]唐杰靈，李天斌，曾 鵬，等.巖爆柔性防護網及其動力特性分析[J].巖石力學與工程學報，2019，38（4）：793-802.