張海彬

(中鐵五局集團 第四工程有限公司，廣東 韶關 512031)

近年來隨著我國公路和鐵路的迅速發(fā)展，各種大跨徑隧道越來越多，在軟弱圍巖體區(qū)修建隧道也屢見不鮮，種種惡性環(huán)境下的隧道施工給研究人員和技術人員提出了更高的要求。近年在軟弱圍巖隧道的施工和運營過程中不斷出現(xiàn)各種圍巖失穩(wěn)問題，對各種隧道圍巖的應力應變的分析是十分必要的。

20世紀初，人們普遍運用的是經(jīng)典壓力理論來分析隧道圍巖的穩(wěn)定性，認為洞室上覆蓋的壓力全部作用在地下洞室支護結(jié)構(gòu)上。之后又出現(xiàn)了太沙基和普氏的松散理論，認為作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力是塌落松動圈范圍內(nèi)的圍巖總量，從而否定了之前認為洞室上覆蓋的壓力全部作用在地下洞室支護結(jié)構(gòu)上的觀點。后來，人們還應用過彈塑性理論和相關知識不斷地對圍巖穩(wěn)定性進行分析。如今，還在各種理論的基礎上，結(jié)合各種軟件對隧道圍巖進行模擬和分析，為實際施工提供指導和依據(jù)［1］。來弘鵬［2］依據(jù)松散軟弱圍巖底層中側(cè)壓力系數(shù)范圍，選取代表值，建立有效的有限元模型。采用不同加載方式，模擬不同應力場，計算了隧道圍巖沿洞徑方向5條代表性路徑的應力和位移，得出了隧道施工過程中圍巖塑性區(qū)的大小和位置會隨著側(cè)壓力系數(shù)的改變而改變，并得出不同側(cè)壓力系數(shù)下，隧道圍巖塑性區(qū)的具體位置和大小。但其選取的代表值太分散，是否真的具有代表性還需進一步探討。張東等［3］采用大型非線性有限元分析軟件ADINA對Ⅴ級圍巖的開挖施工方法進行數(shù)值模擬，分析開挖方法對隧道變形的影響，得到在不同地質(zhì)狀況中隧道變形情況。林才奎［4］采用ADINA大變形非線性有限元軟件，用Mohr-Coulomb屈服準則和大位移分析模式，深入探討了隧道施工中的5個典型斷面支護結(jié)構(gòu)不同位置處的應力及位移特征。

本文將對圍巖洞徑方向5條代表性路徑的應力和位移進行深入研究，并重點關注其中3個斷面的情況。

1 工程概況

1.1 隧道地質(zhì)概況

新建貴陽至廣州鐵路貴陽至賀州段GGTJ-3標段怎冷隧道、千丘榜隧道，位于黔東南州的榕江縣三江鄉(xiāng)，怎冷隧道起訖里程為 D3K188+340—D3K189+660，長1 320 m。千丘榜隧道起訖里程為 D3K189+749—D3K191+530，長1 781 m。隧道所經(jīng)區(qū)域?qū)儆诟咴逼虑治g構(gòu)造中低山區(qū)，為云貴高原東側(cè)的梯級大斜坡地帶，90%以上面積屬于山岳地形，由西北向東南逐漸降低，山巒疊障、溝谷縱橫。山嶺及河谷延伸方向基本與構(gòu)造線一致。所經(jīng)區(qū)域為前震旦系板溪群淺變質(zhì)巖，包括板巖、千枚巖、片巖、變質(zhì)砂巖等，各種巖性相間分布，出露于地表的巖石多強風化。沿線不良地質(zhì)主要有危巖落石、滑坡、順層、膨脹土等。工程地質(zhì)復雜，不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)多，褶皺與斷層均比較發(fā)育，巖體受構(gòu)造影響極嚴重，巖體破碎，風化強烈，隧道圍巖自穩(wěn)性差。

1.2 總體施工方案

隧道施工采用光面爆破技術，多功能作業(yè)臺架配YT28鉆人工鉆眼，噴錨支護。Ⅲ級圍巖采用臺階法開挖，Ⅳ級圍巖采用臺階法或大拱腳臺階法開挖，Ⅴ級圍巖采用大拱腳臺階法、CD法、CRD法、弧形導坑法開挖。采用無軌運輸方式，軟弱圍巖地段仰拱超前，襯砌采用大型模板襯砌臺車，長10.5 m;混凝土采用電子計量拌合站攪拌，罐車運輸，泵送入模。兩隧道均采用雙口掘進。超前地質(zhì)預報和監(jiān)控量測納入施工工序。

施工時為避免隧道拱部垂直壓力過大，造成隧道拱部下沉過多，施工按“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測、速反饋、緊襯砌”的施工原則施工。盡量采用以控制隧道拱部下沉變形為主的“短臺階法預留核心土法”人工開挖施工，需要爆破開挖施工的采用三臺階法減振控制爆破。加強超前支護和初期支護，最大限度地減少對圍巖的擾動，減少地面沉降、圍巖變形和保護圍巖的天然承載力。并采取襯砌緊跟的施工措施。在施工中地表和洞內(nèi)每隔10 m布設一觀測斷面，加強量測工作。

1.3 施工步驟

計算分析采用上下臺階法，開挖后假定洞周圍巖釋放60%應力，初襯后，再釋放40%應力。具體施工步驟為:上臺階開挖→上臺階支護→下臺階開挖→下臺階支護。

2 數(shù)值模擬

2.1 材料計算

本文有限元數(shù)值分析中，不考慮地下水的影響，隧道圍巖材料特性假設為各向同性均質(zhì)彈性體，材料力學特性假定遵循Drucker-Prager屈服準則，當材料進入塑性狀態(tài)后，其應力應變關系由塑性理論中的增量法求解。巖體材料物理力學參數(shù)按公路隧道設計規(guī)范中Ⅴ級圍巖的參數(shù)選取。襯砌材料因其力學特性遠較Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖好，計算中視為彈性體。

通過多次試驗，確定現(xiàn)場采集的圍巖的基本物理參數(shù)見表1。

表1 圍巖與結(jié)構(gòu)的物理力學參數(shù)

2.2 計算模型

2.2.1 側(cè)壓力系數(shù)K的確定

在沒有實測數(shù)據(jù)的情況下，工程上通常用以下方法取 K 的值:①標準值法［5］，K=0.015H+0.25，埋深H≤50 m;K=1.0，埋深 H ＞50 m。②運用 Jaky公式［6］K=1－sinφ，其中 φ為內(nèi)摩擦角。需要指出的是，這里的側(cè)壓力系數(shù)僅是為計算不同初始應力場而引入的參數(shù)，它并非各點真實的側(cè)向壓力系數(shù)。采用這一計算參數(shù)能大致反映出初始應力場對隧道結(jié)構(gòu)的宏觀力學效應。實際上隧道圍巖側(cè)壓力系數(shù)(各點水平壓力與垂直壓力之比)是逐點而異的，本文中K值是根據(jù)以往軟弱地層中K值大約在0.5到1.5之間的經(jīng)驗確定的。在有限元模型中，Y方向加載 Py=110 MPa，Px的值根據(jù) K與 Py的乘積而定，本文模擬計算取 K值為0.8。

2.2.2 計算模型

計算模型中，采用4節(jié)點等參平面實體單元(PLANE42)模擬圍巖。采用2節(jié)點等參平面梁單元(BEAM3)模擬初次襯砌，用4節(jié)點等參平面實體單元(PLANE42)模擬二次襯砌。本次模擬計算未考慮鋼拱架的作用，錨桿的作用參照常用的方法處理，即視錨桿對圍巖的加固作用與施工擾動對圍巖的破壞相抵。(具體計算模型如圖1所示)

圖1 隧道有限元模型

3 計算結(jié)果分析

3.1 隧道圍巖的應力和變形分析

本文選擇模型中隧道圍巖沿洞徑方向5條代表性路徑的應力和位移的計算結(jié)果進行分析，沿洞徑方向的代表性斷面見圖2所示。

圖2 沿洞徑方向代表性分析路徑

3.2 隧道圍巖的應力分析

在隧道開挖以前，地下巖體處于初始地應力場的平衡狀態(tài)中，但是隨著隧道的開挖，圍巖內(nèi)原始平衡系統(tǒng)就被破壞，導致一定范圍內(nèi)圍巖應力重新分布。圍巖各代表性路徑上切向應力σθ明顯增加，而且越靠近開挖面切向應力σθ增加幅度越大;徑向應力σr則明顯減小，而且越靠近開挖面減小幅度越大。這樣應力重新分布后，使得圍巖在接近開挖面處的應力差(σθ－σr)大幅增大，于是圍巖在開挖面處由雙軸受力轉(zhuǎn)變?yōu)榻朴趩屋S受力的情況。眾所周知，巖體單軸受壓強度是低于雙軸受壓的，于是就惡化了這部分圍巖的受力狀況。但通過襯砌的施作，使得圍巖徑向應力σr增大，切向應力σθ比未施作襯砌時減小，從而應力差(σθ－σr)明顯減小，實質(zhì)上就是在圍巖靠近開挖面處由一維受力又變成了二維受力，這樣就提高了圍巖的穩(wěn)定性。

3.3 隧道圍巖的變形分析［7-8］

圖3為隧道開挖完成時，拱上10 m水平面圍巖的豎向位移。由圖中可以看出，圍巖的豎向位移在水平面上呈“漏斗”狀，即位移隨著與拱頂水平距離的增大，而逐漸減小。

圖3 開挖后拱上10 m水平面圍巖豎向位移

圖4為隧道開挖完成時，拱頂圍巖豎向位移。由圖中可以看出，拱頂?shù)淖冃魏芸炀瓦M入塑性階段，必須盡早施作支護。

圖4 開挖后拱頂圍巖豎向位移

圖5為隧道開挖完成時，拱肩處圍巖的豎向位移。該處的水平位移既受開挖面臨空的影響，也受上部圍巖向下位移所導致的側(cè)向變形的影響。

圖5 開挖后拱肩處圍巖豎向位移

圖6為隧道開挖完成時，仰拱底圍巖的豎向位移。由圖6中可以看出，圍巖豎向位移均為正值，即仰拱底圍巖出現(xiàn)向上隆起的趨勢，且距開挖面越近隆起程度越明顯。從不同應力場的結(jié)果來看，與拱上中心線圍巖豎向變形規(guī)律相似，即位移隨著側(cè)壓力系數(shù)的減小，明顯增大。

圖6 開挖后仰拱底圍巖豎向位移

4 結(jié)論

1)隧道開挖破壞了圍巖的初始應力平衡狀態(tài)，隧道周圍較大范圍的圍巖都受到影響，隧道拱頂徑向應力明顯增大，拱腰的切應力明顯增大，洞底形成拱突起。

2)可以發(fā)現(xiàn)軟弱圍巖從彈性變形到塑性變形的時間很短，所以在軟弱圍巖段施工要迅速施作支護。

3)當隧道具有較大的直墻面時，隧道圍巖在較大的軸向壓力作用下，會引起圍巖的側(cè)向膨脹而產(chǎn)生斷裂的現(xiàn)象。

［1］中華人民共和國交通部．JTJ D70—2004 公路隧道設計規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2004．

［2］來弘鵬．不同應力場軟弱圍巖隧道施工力學特征的數(shù)值分析［J］．公路，2009(10):239-244．

［3］張東，孟凡磊，董建軍．軟弱地層地鐵折返線段施工方法數(shù)值模擬研究［J］．鐵道建筑，2011(2):70-71．

［4］林才奎．隧道支護結(jié)構(gòu)不同位置處的應力及位移特征［J］．西部探礦工程，2009(3):143-147．

［5］關寶樹．隧道工程設計要點集［M］．北京:人民交通出版社，2003．

［6］JAKY J．The coefficient of earth pressure at rest［J］．Journal of Society of Hungarian Architects and Engineers，1994，78(22):355-358．

［7］李章樹，張金鳳．騾坪隧道施工圍巖變形監(jiān)測與分析［J］．鐵道建筑，2010(11):43-45．

［8］祝云華．軟弱圍巖隧道施工數(shù)值模擬分析［J］．鐵道建筑，2011(5):52-55．