高　勇

不同結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)深埋隧道開挖方法的影響規(guī)律研究

高勇

（中鐵十九局集團(tuán)第七工程有限公司，廣東 珠海 519020）

某深埋公路隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖軟硬交替，且具有高地應(yīng)力特點(diǎn)，施工過程中多處出現(xiàn)擠壓掉快、支護(hù)結(jié)構(gòu)扭曲等現(xiàn)象，對(duì)隧道施工安全造成嚴(yán)重威脅。結(jié)合隧道施工過程，利用有限差分軟件FLAC3D對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)面傾角下全斷面法和下導(dǎo)洞超前開挖法模擬計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)軟弱圍巖區(qū)位移和塑性區(qū)分布特征影響較大，堅(jiān)硬圍巖區(qū)影響較小；兩種開挖方法下隧道周邊位移和塑性區(qū)分布特征基本一致，所得結(jié)論可為同類隧道的設(shè)計(jì)、施工和研究提供參考。

深埋隧道；軟巖大變形；結(jié)構(gòu)面傾角；隧道施工；施工安全

1　概述

隨著我國(guó)交通建設(shè)的迅速發(fā)展，在深部巖體中修筑隧道工程已必不可少，隨之而來的深部巖體所具有的特殊工程地質(zhì)問題也更加突出。在深埋隧道勘察設(shè)計(jì)和施工過程中，高地應(yīng)力的存在是影響隧道穩(wěn)定的重要因素，主要表現(xiàn)為硬巖巖爆和軟巖大變形或塑性破壞。高地應(yīng)力引起的巖爆、流變、斷層軟巖擠入大變形等災(zāi)害給施工帶來的困難也隨之出現(xiàn)［1-4］。軟巖支護(hù)是地下工程中最難解決的工程技術(shù)問題之一，以其大變形、高地壓、難支護(hù)的特點(diǎn)一直受到巖石力學(xué)及地下工程界的普遍關(guān)注［5］。

由于巖體形成的條件千差萬別，結(jié)構(gòu)面的情況復(fù)雜多變，研究結(jié)構(gòu)面的方位、密度、組合關(guān)系及力學(xué)特性，對(duì)巖體變形和破壞規(guī)律的影響較巖石性質(zhì)的影響更為重要，因此研究結(jié)構(gòu)面對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響尤為重要［6-7］。文獻(xiàn)［8］在實(shí)驗(yàn)室用立體相似模型研究了在三向荷載作用下（等圍壓），掘進(jìn)巷道時(shí)結(jié)構(gòu)面具有不同傾角對(duì)其圍巖穩(wěn)定性的影響。得出結(jié)構(gòu)面傾角為45°時(shí)圍巖穩(wěn)定性較好，隨結(jié)構(gòu)面傾角增大圍巖穩(wěn)定性減弱的結(jié)論。文獻(xiàn)［9］研究了順層巖石邊坡穩(wěn)定性與巖層傾角的關(guān)系，得出了巖層傾角越小，邊坡越穩(wěn)定的結(jié)論。文獻(xiàn)［10］分析了結(jié)構(gòu)面的方位、幾何參數(shù)和抗剪強(qiáng)度對(duì)公路隧道圍巖穩(wěn)定的影響，探討了RQD指標(biāo)運(yùn)用的問題以及推薦了JRC的定量統(tǒng)計(jì)估測(cè)方法。

下導(dǎo)洞超前開挖法作為分部開挖法的一種，適用于設(shè)計(jì)斷面較大或圍巖軟弱破碎嚴(yán)重、穩(wěn)定性較差的隧道，導(dǎo)坑超前開挖有利于提前探明地質(zhì)情況，且小斷面坑道圍巖的相對(duì)穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，而在現(xiàn)代隧道施工建設(shè)中，根據(jù)新奧法“盡可能采用大斷面施工”的原則，采用的開挖方式主要為全斷面法和臺(tái)階開挖法，下導(dǎo)洞超前開挖法應(yīng)用較少［11］。

在深部軟巖工程中，由于涉及到物理非線性、幾何非線性和接觸邊界非線性等力學(xué)問題，因此其理論解的求解在數(shù)學(xué)上遇到非常大的困難，需要借助于有限元、有限差分和離散元等數(shù)值方法和軟件［12］。本文針對(duì)宜巴高速公路某隧道出現(xiàn)的單側(cè)軟巖大變形特征，利用有限差分軟件FLAC3D研究了隧道兩側(cè)圍巖巖性不同時(shí)，結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，并對(duì)采用全斷面法和下導(dǎo)洞超前開挖法時(shí)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析。

2　工程概況

某隧道是宜巴高速公路控制性工程之一，為項(xiàng)目全線最長(zhǎng)隧道。隧道采用分幅式，左幅起訖樁號(hào)ZK118+963～ZK126+487，總長(zhǎng)7 524.0 m，右幅起訖樁號(hào)YK118+948～YK126+441總長(zhǎng)7 493.0 m。隧道最大埋深約878 m，屬特長(zhǎng)深埋隧道。

隧道區(qū)屬構(gòu)造剝蝕、侵蝕中低山深切溝谷地貌區(qū)，地形切割較深，溝谷斜坡地貌發(fā)育，峰頂呈渾圓狀，丘脊寬緩，山嶺多沿北東向展布，穿越區(qū)地形切割較強(qiáng)，山間溝谷發(fā)育，溝谷峽窄，剖面多呈“V”字型。根據(jù)野外調(diào)查及鉆探、物探資料，隧道區(qū)內(nèi)上覆蓋層為殘坡積碎石土，沿山坡分布，局部溝谷處有第四系沖洪積亞粘土、礫卵石層，下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)蓬萊組、隧寧組長(zhǎng)石石英砂巖夾紫紅色泥巖。

開挖揭露圍巖發(fā)育有褶皺等小型構(gòu)造，圍巖軟硬交替，且具有高地應(yīng)力特點(diǎn)，施工中多處出現(xiàn)偏幫、擠壓掉塊等現(xiàn)象，且因兩側(cè)巖性不同，采用全斷面法施工時(shí)出現(xiàn)了單側(cè)軟巖大變形，圍巖沿錨桿層狀剝落致使支護(hù)扭曲破壞等災(zāi)害。針對(duì)隧道內(nèi)出現(xiàn)的上述現(xiàn)象，施工單位決定前方高地應(yīng)力區(qū)采用下導(dǎo)洞超前開挖法進(jìn)行施工，下導(dǎo)洞超前開挖施工方案如圖1所示。

圖1　下導(dǎo)洞超前開挖施工方案

3　隧道施工數(shù)值模擬

3.1計(jì)算模型

采用FLAC3D三維快速拉格朗日差分方法分析軟件，根據(jù)地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算原理，隧道開挖影響范圍為洞徑的3～5倍，且根據(jù)隧道的實(shí)際結(jié)構(gòu)形式及地質(zhì)條件，進(jìn)行了適當(dāng)?shù)哪Ｐ秃?jiǎn)化。模型計(jì)算范圍：水平方向（x軸）長(zhǎng)度取90 m，豎直方向（y軸）取90 m，縱向（z軸）沿隧道軸線方向取60 m。圍巖材料模型采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，開挖采用FLAC3D中的Null模型。模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束，模型上部施加邊界應(yīng)力，其等效地應(yīng)力由σz=γh確定，γ為上覆結(jié)構(gòu)面的平均加權(quán)容重，h為上覆結(jié)構(gòu)面總厚度。

3.2力學(xué)參數(shù)

計(jì)算中采用理想彈塑性材料，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，并考慮巖體的受拉屈服、彈塑性變形及大變形。根據(jù)該隧道工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及相關(guān)地質(zhì)勘測(cè)資料，圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

因計(jì)算模型中巖性不唯一，將計(jì)算模型劃分為3個(gè)區(qū)域，參數(shù)賦值時(shí)分區(qū)域進(jìn)行，定義x1、x2如下，其中θ為結(jié)構(gòu)面傾斜線與x軸負(fù)方向所成的夾角：

（1）當(dāng)0＜x＜x1時(shí)，該區(qū)域內(nèi)圍巖為Ⅳ級(jí)砂巖，物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

（2）當(dāng)x1＜x＜x2時(shí)，該區(qū)域內(nèi)為巖性變化區(qū)，通過FLAC3D中的單元遍歷程序?qū)υ搮^(qū)域進(jìn)行賦值，物理力學(xué)參數(shù)由式（1）～式（5）計(jì)算得出：

式中：C為材料的粘聚力；Φ為材料的內(nèi)摩擦角；K為材料的體積模量；G為材料的剪切模量；D為點(diǎn)到過x1點(diǎn)邊界線的距離。

（3）當(dāng)x2＜x＜90時(shí)，該區(qū)域內(nèi)圍巖為Ⅲ級(jí)泥巖，物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2所示為θ=60°和θ=120°時(shí)模型賦值塊狀示意圖。

圖2　模型賦值塊狀示意圖

3.3開挖方案

針對(duì)無支護(hù)時(shí)全斷面法、下導(dǎo)洞超前開挖法進(jìn)行數(shù)值模擬，分析因隧道開挖引起的隧道圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變、位移情況及其隨結(jié)構(gòu)面傾角的變化趨勢(shì)，判斷圍巖的穩(wěn)定性。為模擬實(shí)際施工開挖順序，采用如下開挖方案：全斷面法采用15步開挖方案；下導(dǎo)洞超前開挖法采用下導(dǎo)洞先行開挖15步，上圓弧后行開挖15步的開挖方案。數(shù)值模擬中，隧道沿著z軸方向以3 m長(zhǎng)度為一個(gè)循環(huán)進(jìn)行模擬。

4　全斷面法與下導(dǎo)洞超前開挖法對(duì)比

4.1位移場(chǎng)特征

4.1.1 全斷面法

隧道水平收斂和拱頂下沉量測(cè)是監(jiān)控量測(cè)的主要內(nèi)容之一，也是隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化的最直觀反應(yīng)。隧道拱頂豎向位移、拱腰水平位移、拱肩豎向位移及水平位移計(jì)算值如表2所示。

分析表2可知，當(dāng)不考慮θ=0°和θ=180°兩種對(duì)稱狀態(tài)時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)面傾角變化，拱頂豎向位移、拱腰水平位移、拱肩豎向位移及水平位移具有不同的變化趨勢(shì)：

（1）拱頂豎向位移：隨著傾角θ增大，拱頂下沉量逐漸增大。

（2）拱腰水平位移：隨著傾角θ增大，左拱腰水平位移先增大后減小，右拱腰水平位移先減小后增大；當(dāng)θ=90°時(shí)，左拱腰水平位移最大，右拱腰水平位移最小。

表2　隧道周邊位移計(jì)算值 cm

（3）拱肩豎向位移：隨著傾角θ增大，左拱肩豎向位移逐漸增大；當(dāng)θ＜60°時(shí)，右拱肩豎向位移基本一致，當(dāng)θ＞60°時(shí)，右拱肩豎向位移隨著傾角θ增大而逐漸增大。

（4）拱肩水平位移：隨著傾角θ增大，左拱肩水平位移先增大后減小，當(dāng)θ=120°時(shí)，左拱肩水平位移最大；當(dāng)θ＜90°時(shí)，右拱肩水平位移基本一致；當(dāng)θ＞90°時(shí)，右拱肩水平位移隨著傾角θ增大而逐漸增大。

左右兩側(cè)拱腰水平位移、拱肩豎向位移及水平位移之比如圖3所示。

圖3　左右兩側(cè)位移比

分析圖3可知：隨著傾角θ增大，左右兩側(cè)拱腰水平位移、拱肩豎向位移和水平位移之比均呈先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)θ=90°時(shí)，比值均達(dá)到最大值，且比值大小依次為拱腰水平位移（2.24）＞拱肩水平位移（1.99）＞拱肩豎向位移（1.51），說明隧道兩側(cè)巖性不同時(shí)，對(duì)拱腰水平位移影響最大，拱肩水平位移次之，拱肩豎向位移最小，且軟弱圍巖區(qū)隧道周邊位移較大。

4.1.2 下導(dǎo)洞超前開挖法

下導(dǎo)洞先行開挖后，隧道圍巖應(yīng)力初次釋放，隧道周邊產(chǎn)生初次位移，初次位移計(jì)算值如表3所示；下導(dǎo)洞基本穩(wěn)定后施工上圓弧部，此時(shí)引起隧道圍巖應(yīng)力的二次釋放，隧道圍巖穩(wěn)定后最終位移計(jì)算值如表4所示。

由表4可知，采用下導(dǎo)洞超前開挖法施工時(shí)，隧道周邊最終位移與全斷面法施工時(shí)基本一致，位移隨角度θ的變化趨勢(shì)亦基本相同；而巖體工程開挖變形具有很強(qiáng)的時(shí)空效應(yīng)，隧道開挖后圍巖應(yīng)力釋放不是瞬間完成，而是受開挖面的約束影響，應(yīng)力逐步釋放，直到開挖面空間約束效應(yīng)完全消失，圍巖應(yīng)力才得以全部釋放，而施工過程中出現(xiàn)的大多數(shù)發(fā)生或隱患的災(zāi)害一般與施工進(jìn)度（卸荷速率）過快相關(guān)，采用下導(dǎo)洞超前開挖法施工，隧道圍巖應(yīng)力經(jīng)過兩次釋放過程，充分利用了開挖面的約束作用，使巖體卸荷速率減小，可有效控制災(zāi)害發(fā)生。

表3　初次位移計(jì)算值 cm

表4　最終位移計(jì)算值 cm

相對(duì)最終位移，下導(dǎo)洞開挖引起的初次位移所占比率如圖4所示，圖中A～F依次代表隧道拱頂豎向位移、左拱腰水平位移、右拱腰水平位移、左拱肩水平位移、豎向位移、右拱肩水平位移和豎向位移。由圖4知，下導(dǎo)洞開挖引起的各點(diǎn)初次位移所占比率在0.32～0.46，拱頂豎向位移比率較小，呈下降趨勢(shì)，說明其受θ影響程度較??；左、右拱腰水平位移比率較大，說明其受影響程度較大，且右拱腰受影響程度比左拱腰略大；左拱肩水平位移、豎向位移和右拱肩水平位移受影響程度基本一致，與之相比，右拱肩豎向位移受影響程度較大。

圖4　位移比率散點(diǎn)示意圖

4.2塑性區(qū)特征

4.2.1 全斷面法

圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示，隧道開挖后引起的塑性屈服主要為剪切屈服，不考慮θ=0°和θ=180°兩種對(duì)稱狀態(tài)時(shí)，隧道左側(cè)拱肩、拱腰塑性區(qū)范圍比右側(cè)范圍大，當(dāng)θ=90°時(shí)表現(xiàn)最明顯；拱底塑性區(qū)范圍左右基本對(duì)稱。

隨著傾角θ增大，塑性區(qū)總范圍逐漸增大，拱底塑性區(qū)分布左右基本對(duì)稱，拱腰、拱肩及拱頂塑性區(qū)分布不對(duì)稱，左側(cè)塑性區(qū)范圍較大，即軟弱圍巖區(qū)塑性區(qū)范圍較大；傾角θ對(duì)拱底塑性區(qū)的深度無影響，但對(duì)拱底塑性區(qū)的寬度有影響，θ逐漸增大，塑性區(qū)寬度逐漸減小。

圖5　圍巖塑性區(qū)分布圖

4.2.2 下導(dǎo)洞超前開挖法

選取θ=60°、θ=90°、θ=120°時(shí)進(jìn)行塑性區(qū)分布特征研究，其塑性區(qū)分布如圖6所示，左側(cè)為下導(dǎo)洞開挖后塑性區(qū)分布，右側(cè)為最終塑性區(qū)分布。

由圖6可知，下導(dǎo)洞先行開挖后，拱底塑性區(qū)深度為4.2 m，寬度與導(dǎo)洞跨度基本相等，拱腰、拱肩、拱頂塑性區(qū)范圍為1.5～2 m（不考慮待開挖部的塑性區(qū)），而待開挖部圍巖出現(xiàn)受拉區(qū)，兩側(cè)受拉區(qū)范圍約1.8～2.5 m，拱頂、拱肩受拉區(qū)范圍約0.6～1.2 m，隨著傾角θ增大，圍巖塑性區(qū)面積基本保持不變，說明下導(dǎo)洞開挖時(shí)，傾角θ對(duì)塑性區(qū)分布基本無影響；上圓弧部開挖后，結(jié)合圖5中3種情況下隧道圍巖的最終塑性區(qū)分布特征，可知兩種開挖方式的最終塑性區(qū)面積基本相同。

圖6　圍巖塑性區(qū)分布圖

5　結(jié)論

（1）結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)軟弱圍巖區(qū)位移、塑性區(qū)的影響較大，堅(jiān)硬圍巖區(qū)受其影響較小。因巖性不同引起的左右兩側(cè)位移之比，拱腰水平位移受其影響最大，拱肩水平位移次之，拱肩豎向位移最小。

（2）隧道周邊位移隨傾角θ變化具有不同的變化趨勢(shì)：拱頂豎向位移逐漸增大；拱肩豎向位移和右拱肩水平位移總體上逐漸增大；左拱腰水平位移和左拱肩水平位移先增大后減小，右拱腰水平位移先減小后增大，θ=90°時(shí)左拱腰水平位移達(dá)到最大值，而右拱腰水平位移達(dá)到最小值，θ=120°時(shí)左拱肩水平位移取得最大值。

（3）全斷面法和下導(dǎo)洞超前開挖法施工引起的位移和塑性區(qū)分布特征基本相同，但下導(dǎo)洞超前開挖施工時(shí)可利用巖土工程開挖變形的時(shí)空效應(yīng)，使圍巖應(yīng)力逐步釋放，降低卸荷速率，有效控制災(zāi)害發(fā)生。

［1］趙旭峰，王春苗，孔祥利.深部軟巖隧道施工性態(tài)時(shí)空效應(yīng)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（2），404-409.

［2］張志強(qiáng)，關(guān)寶樹.軟弱圍巖隧道在高地應(yīng)力條件下的變形規(guī)律研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22（6），696-700.

［3］ 張志強(qiáng)，鄭鴻泰.高地應(yīng)力條件下隧道大變形的數(shù)值模擬分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19（增刊）：957-960.

［4］劉招偉，王明勝，方俊波.高地應(yīng)力大變形隧道支護(hù)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2010，43（5）：111-116.

［5］方新秋，何杰，何加省.深部高地應(yīng)力軟巖動(dòng)壓巷道加固技術(shù)研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30（6）：1693-1698.

［6］任德惠，張平.不同傾角結(jié)構(gòu)面對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1988，13（3）：51-53.

［7］賈蓬，唐春安，楊天鴻，等. 具有不同傾角層狀結(jié)構(gòu)面巖體中隧道穩(wěn)定性數(shù)值分析［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，27（11）：1275-1278.

［8］杜時(shí)貴，周慶良，孫有法.公路隧道圍巖穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面影響［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1997，10（2）：64-69.

［9］陳從新，黃平路，盧增木.巖層傾角影響順層巖石邊坡穩(wěn)定性的模型試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2007，28（3）：476-486.

［10］Tang C A，Liu H，Lee P K K， et al. Numerical studies of the influence of microstructure on rock failure in uniaxial compression—part I：effect of heterogeneity ［J］. INT J Rock Mech Min，2000，37（4）：555-569.

［11］ 陳小雄. 現(xiàn)代隧道工程理論與隧道施工［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2006.

［12］ 何滿潮，陳新，梁國(guó)平.深部軟巖工程大變形力學(xué)分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（5），934-943.

Influence Law of Different Structural Inclination for Excavation Method of Deep-buried Tunnel

Gao Yong
（No. 7 Engineering China Rail Way 19th Bureau Group，Zhuhai 519020， China）

A deep-buried highway tunnel was constructed with complex geological condition which existing an alternation of soft and hard rock and high ground stress. Extrusion， fall-block and twisted phenomena of supporting structure appeared during construction which posed a serious threat to the safety of tunnel construction. In combination with the construction process of the tunnels，by using the finite difference software FLAC3D， the surrounding rock stability was simulated， and the numerical calculation results of full face tunneling method and advanced pilot excavation method with different structural inclinations were compared. The results indicated that structural inclination had significance effect on displacement and plastic area in soft rock while had little effect in hard rock. The distribution of plastic and displacement was similar with different excavation methods. The conclusion could be taken as reference for the design，construction and research of similar tunnels.

deep-buried tunnel； large deformation of soft rock； structural inclination； tunnel constrction； safety in constrction

U445.7

A

1672-9889（2015）06-0054-05

高勇（1979-），男，遼寧遼陽人，工程師，主要從事隧道施工技術(shù)與管理工作。

（2015-07-24）