鄒 翀， 尤顯明， 焦 雷， 黃明利， 肖祖通

(1. 中鐵隧道勘測設(shè)計研究院， 河南 洛陽 471009； 2. 中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽 471009；3. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044)

高地應(yīng)力軟巖隧道圓形斷面擴挖施工圍巖及支護受力特征研究

鄒 翀1， 尤顯明2， 焦 雷1， 黃明利3， 肖祖通3

(1. 中鐵隧道勘測設(shè)計研究院， 河南 洛陽 471009； 2. 中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽 471009；3. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044)

針對高地應(yīng)力軟巖隧道開挖時圍巖大變形問題，以某隧道圓形擴挖段為背景，采用三臺階法施工和3層初期支護+小導(dǎo)管注漿+二次襯砌的復(fù)合結(jié)構(gòu)支護，并通過現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬和理論計算研究開挖過程中的圍巖變形及支護結(jié)構(gòu)受力。結(jié)果表明：上、中臺階開挖時的隧道圍巖變形速率較大，在仰拱封閉和第3層初期支護施作完成后，隧道變形趨于穩(wěn)定；采用3層初期支護結(jié)構(gòu)可有效改善隧道周邊圍巖應(yīng)力，3層初期支護基本都是受壓結(jié)構(gòu)，拱腰和邊墻處豎向應(yīng)力最大，拱頂處水平應(yīng)力最大；二次襯砌拱腰、拱頂、拱腳和邊墻處安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，保證隧道結(jié)構(gòu)安全。

高地應(yīng)力； 軟巖隧道； 圓形擴挖施工； 三臺階法

0 引言

我國西部地區(qū)處在板塊交接地帶，地質(zhì)條件復(fù)雜，地應(yīng)力高，在此處修建隧道難度大，且大變形問題突出，但多數(shù)情況下未找到有效的解決方法。主要原因是： 1)高地應(yīng)力軟巖隧道的變形量大，隧道邊界侵限，施工處理困難； 2)現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范對大變形問題未有專門規(guī)定，沒有可行的設(shè)計施工方法，僅依靠經(jīng)驗應(yīng)對。已建成的蘭武、南昆鐵路以及在建的成蘭、蘭渝等鐵路隧道大多都不同程度地面臨著圍巖變形的困擾。

許多學(xué)者對高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖大變形問題進行了研究。文獻[1]對圍巖大變形類型和機制進行了劃分;文獻[2-3]通過采用合理的斷面形狀、預(yù)留變形量、多重支護等施工技術(shù)，在一定程度上控制了烏鞘嶺隧道的大變形；文獻[4-5]從圍巖動態(tài)演化機制角度出發(fā)，對大變形隧道進行返修，并取得了一定成功；文獻[6-7]認為可允許圍巖適度變形，對圍巖應(yīng)力進行適度釋放；文獻[8-9]通過現(xiàn)場試驗得出，合理的超前應(yīng)力釋放技術(shù)可有效減小圍巖變形；文獻[10]通過超前大鉆孔和超前導(dǎo)洞應(yīng)力控制方法的現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，2種方法雖然能對變形的控制起到一定作用，但就其可行性而言，還需繼續(xù)研究和完善；文獻[11-12]根據(jù)現(xiàn)場施工實際情況及理論分析，提出了有效、合理的支護措施；文獻[13]通過現(xiàn)場試驗，提出高地應(yīng)力軟巖大變形隧道施工時應(yīng)采用放抗結(jié)合的方法。以上研究取得了一定成果，但對高地應(yīng)力理論和高地應(yīng)力軟巖隧道大變形控制方法的研究仍不夠完整和成熟。本文針對某高地應(yīng)力軟巖隧道施工時圍巖及支護結(jié)構(gòu)受力和變形進行研究，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測方法，分析圍巖變形和支護結(jié)構(gòu)受力情況，并給出合理的工程對策，以指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

該隧道地質(zhì)條件非常復(fù)雜，隧道洞身共發(fā)育有11處斷裂，斷裂段長4.5 km，最大斷裂寬約1 km。軟巖段占隧道總長的84.5%，極易發(fā)生大的圍巖滑塌，施工難度大。

該隧道圓形斷面擴挖段屬于嶺脊段，嶺脊段地層巖性為二疊系薄層狀炭質(zhì)板巖，屬于F14-1斷層破碎帶，埋深600 m。泥質(zhì)、鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)，層厚1～4 cm，巖層傾角陡立，受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴重，層間結(jié)合差，節(jié)理發(fā)育—極發(fā)育，巖層破碎—極破碎，未見基巖裂隙水，綜合判定為Ⅴ級軟巖。隧道地質(zhì)縱斷面情況如圖1所示。

圖1 圓形擴挖段地質(zhì)縱斷面圖

采用水壓致裂法測試隧址地應(yīng)力，實測最大水平地應(yīng)力σ1為27.16 MPa。試驗測得板巖單軸飽和抗壓強度Rc的平均值為13.35 MPa，強度應(yīng)力比Rc/σ1=0.49，由GB /T 50218—2014《工程巖體分級標準》可知，該隧道處于極高地應(yīng)力狀態(tài)。

1.2 圓形擴挖段施工工藝及參數(shù)

圓形斷面擴挖段采用三臺階法施工。上、中、下臺階高度分別為3.8、3.9、3.9 m，臺階長度分別為5、7、4 m。上、中、下臺階開挖進尺均為1榀鋼架距離(0.7 m)，中、下臺階分左、右側(cè)錯開開挖。仰拱一次開挖長度為5 m。采用3層初期支護+小導(dǎo)管注漿+二次襯砌支護，第1、2層初期支護均采用H175型鋼，間距0.7 m/榀，噴混凝土厚度分別為33、25 cm，之間預(yù)留變形量40 cm。第3層初期支護和二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，厚度分別為40、70 cm，第2、3層初期支護之間預(yù)留變形量為25 cm。圓形擴挖斷面尺寸及支護參數(shù)如圖2所示。

圖2 圓形擴挖斷面及支護參數(shù)示意圖(單位: cm)

Fig. 2 Sketch diagram of circular cross-section enlargement and supporting parameters (cm)

2 模型建立及參數(shù)選取

2.1 模型建立

根據(jù)圣維南原理和相關(guān)經(jīng)驗可知，隧道開挖影響范圍約為洞徑的3倍。采用FLAC3D軟件模擬，建立結(jié)構(gòu)-荷載模型，模型長100 m，寬70 m，高100 m。該隧道屬于深埋隧道，將覆土換算成附加荷載，其等效地應(yīng)力σz=γh=11.3 MPa(γ為上覆巖層的平均加權(quán)容重，取20 kN/m3；h為上覆巖層總厚度，取565 m)，水平應(yīng)力按豎向地應(yīng)力的1.8倍取值。采用Mohr-Coulomb模型，并考慮巖體的受拉屈服、彈塑性變形。利用set large 命令設(shè)置模型為大變形。開挖采用FLAC3D中的Null模型，復(fù)合支護中的初期支護采用Shell結(jié)構(gòu)單元。

圖3 圓形擴挖段縱向施工步序示意圖(單位: m)

2.2 計算參數(shù)選取

圍巖參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖參數(shù)

數(shù)值模擬中的初期支護為H175型鋼+C30混凝土，采用等剛度加權(quán)平均的方法對初期支護的計算參數(shù)換算，等效支護密度ρ等效=(ρ鋼×A鋼+ρ混×A混)/A總，等效彈性模量E等效=(E鋼×A鋼+E混×A混)/A總，其中A表示型鋼或混凝土的截面面積。換算得到初期支護計算參數(shù)如表2所示。

表2 初期支護參數(shù)

注漿在本質(zhì)上是改變了圍巖的參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗并參考文獻[14-15]，本模擬注漿按提高圍巖強度30%計算。

3 圓形斷面擴挖施工現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 圍巖變形分析

在給排水工程施工過程中經(jīng)常會出現(xiàn)各種不同類型的問題，這會對給排水工程的質(zhì)量造成不良影響，進而都會其應(yīng)用性能產(chǎn)生影響，可見，在給排水工程施工中，做好像施工管理意義重大。

3.1.1 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

選擇DK181+150典型斷面對圍巖變形監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。可知： 上、中臺階開挖時的隧道圍巖變形速率較大。仰拱施作完成后，變形速率有所減小。第3層初期支護完成后，支護剛度和強度增強，變形速率控制在1～3 mm/d，但約20 d后，變形速率有增大的趨勢，說明第3層初期支護完成后，雖然變形得到一定程度的控制，但未最終收斂，因而仍要加強支護或及時施作二次襯砌。

圖4 DK181+150斷面變形曲線

3.1.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

分別取隧道頂部中點、上臺階收斂點和中臺階收斂點作為隧道位移關(guān)鍵點，分析豎向位移與水平位移，隧道拱頂沉降和上臺階、中臺階水平收斂變形曲線如圖5所示。由圖可知： 1)上臺階第1層初期支護完成后，拱頂沉降和上臺階水平收斂值較大，變形速率趨緩； 2)中臺階第1層初期支護完成后，中臺階水平收斂速率最大，拱頂沉降和上臺階水平收斂與上一階段相比變形速率減?。?3)下臺階第1、2層初期支護完成后，拱頂沉降和上臺階水平收斂已經(jīng)進入緩慢變形階段，下臺階還有較大變形，但變化速率明顯減小； 4)仰拱施作完成后，水平收斂速率已經(jīng)很小，進入穩(wěn)定階段。因此，高應(yīng)力軟巖隧道圓形擴挖段的上、中臺階開挖階段是影響隧道變形的主要階段，施工時應(yīng)注意及時支護，仰拱封閉及第3層初期支護施作完成后，隧道變形趨于穩(wěn)定。

圖5 隧道拱頂沉降與水平收斂曲線

3.1.3 數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

由于在開挖還未到達預(yù)設(shè)監(jiān)測斷面時，預(yù)設(shè)的監(jiān)測點已產(chǎn)生了一定的位移，而在實際施工中監(jiān)測斷面未被開挖時是不可能對其進行監(jiān)控的。因此，在進行監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果對比分析時，將數(shù)值模擬中監(jiān)測斷面開挖前的位移歸零，以便于分析和研究，對比結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯?第1層初期支護變形量占總變形量比例的模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果非常接近。第2層初期支護的模擬結(jié)果比監(jiān)測結(jié)果大。第3層初期支護的模擬結(jié)果比監(jiān)測結(jié)果小，這是由于從監(jiān)測開始至隨后約60 d里，第3層初期支護的變形速率一直保持在1～2 mm/d，而在數(shù)值模擬中，隨著仰拱封閉和第3層初期支護施作完成，隧道變形很快收斂，所以模擬計算的變形量較小。

表3 3層初期支護變形占洞周變形比例

Table 3 Proportions of 3 primary support structures in total deformation %

3.2 圍巖應(yīng)力隨開挖支護進程的變化規(guī)律

(a) 水平應(yīng)力

(b) 豎向應(yīng)力

Fig. 6 Surrounding rock stresses vs. tunnel construction procedures

3.3 初期支護結(jié)構(gòu)受力分析

3.3.1 支護結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為了與模擬結(jié)果進行對比，將現(xiàn)場實測的初期支護鋼架應(yīng)力和混凝土應(yīng)力按照應(yīng)變協(xié)調(diào)變形條件下的等剛度原則換算為初期支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，結(jié)果見表4和表5?？芍?第1、2層初期支護鋼架受力很大，最大達到46.00 MPa，各測點數(shù)值(除第2層仰拱外)均已超過鋼架屈服強度換算值(23.5 MPa)； 第3層初期支護鋼筋混凝土受到的最大應(yīng)力發(fā)生在右邊墻內(nèi)側(cè)處，達到34.06 MPa，已超過C35混凝土的抗壓極限強度。斷面拱墻結(jié)構(gòu)受力最大平均值為15.34 MPa，整體不是很大。因此，采用3層初期支護結(jié)構(gòu)還是很有必要的。

表4 第1層和第2層初期支護結(jié)構(gòu)受力

注： 拉應(yīng)力為正、壓應(yīng)力為負，表中平均值為各監(jiān)測點結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)值的平均值，下同。

表5 第3層初期支護結(jié)構(gòu)受力

3.3.2 支護結(jié)構(gòu)受力數(shù)值模擬分析

取隧道中間位置縱向1 m長的一段隧道進行研究，重點分析施作二次襯砌后，3層初期支護結(jié)構(gòu)的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力，結(jié)果如圖7—9所示。可知： 1)第1層初期支護結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力全為壓應(yīng)力。邊墻與拱腰附近豎向應(yīng)力最大，為27.5 MPa。拱頂部位水平應(yīng)力最大，為37.7 MPa。2)第2層初期支護結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力也全為壓應(yīng)力。最大豎向應(yīng)力依舊出現(xiàn)在邊墻與拱腰附近，為23 MPa。拱頂部位水平應(yīng)力最大，為25.6 MPa。3)第3層初期支護受到的應(yīng)力基本為壓應(yīng)力。最大豎向應(yīng)力也出現(xiàn)在邊墻與拱腰附近，為17.1 MPa。拱頂部位水平應(yīng)力最大，為24.3 MPa。拱頂部位出現(xiàn)拉應(yīng)力，其值為6.9 MPa。邊墻部位出現(xiàn)拉應(yīng)力，其值為7.1 MPa。

(a) 水平應(yīng)力

(b) 豎向應(yīng)力

3.4 二次襯砌結(jié)構(gòu)安全分析

由數(shù)值模擬計算得到二次襯砌不同特征部位的彎矩和軸力，計算出的偏心距均小于0.2h(h為二次襯砌厚度)，按抗壓強度控制承載能力計算。二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)如表6所示。經(jīng)計算，混凝土的抗壓強度安全系數(shù)均大于TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的混凝土結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)(2.0)。

(a) 水平應(yīng)力

(b) 豎向應(yīng)力

(a) 水平應(yīng)力

(b) 豎向應(yīng)力

特征部位彎矩/(kN·m)軸力/kN偏心距/mm判斷拉壓控制襯砌安全系數(shù)規(guī)定安全系數(shù)拱頂15．616509．5抗壓控制112．0拱腰5．421502．5抗壓控制8．52．0邊墻2．610902．4抗壓控制16．72．0拱腳3．410103．4抗壓控制182．0

4 結(jié)論與建議

1)高地應(yīng)力軟巖隧道圓形擴挖段采用三臺階法施工時，上、中臺階開挖時的隧道圍巖變形速率較大，應(yīng)注意及時支護。仰拱封閉及第3層初期支護施作完成后，隧道變形趨于穩(wěn)定，應(yīng)適時施作二次襯砌。

2)3層初期支護結(jié)構(gòu)可有效改善隧道周邊圍巖應(yīng)力。在隧道擴挖完成后，3層初期支護結(jié)構(gòu)基本都處于受壓狀態(tài)，拱腰和邊墻處豎向應(yīng)力最大，拱頂處水平應(yīng)力最大。

3)本文對高地應(yīng)力軟巖隧道圓形斷面擴挖段施工階段的支護結(jié)構(gòu)受力和變形規(guī)律進行了研究，研究結(jié)果可為高地應(yīng)力軟巖隧道的施工提供參考。如有條件，建議進一步對運營階段隧道支護結(jié)構(gòu)的受力和變形進行監(jiān)測，使研究結(jié)果更具有指導(dǎo)意義。

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Study of Mechanical Characteristics of Surrounding Rock and Supporting Structure of Enlarging Construction of Circular Soft Rock Tunnel with High Ground Stress

ZOU Chong1， YOU Xianming2， JIAO Lei1， HUANG Mingli3， XIAO Zutong3

(1.Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,Henan,China；2.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China；3.SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Large deformation often occurrs in soft rock tunnel with high ground stress during construction. Three-bench excavation method and composite support structure of 3 layers of primary support + grouting through small duct + secondary lining are used to control large deformation of a soft rock tunnel with high ground stress. The mechanical characteristics of surrounding rock deformation and supporting structure are studied by site monitoring，numerical simulation and theoretical calculation. The results show that: 1) The deformation speed of surrounding rock is large when excavating top heading and intermediate bench; the deformation of surrounding rock becomes stable after construction of invert arch closure and the third primary support. 2) The stress of surrounding rock can be improved effectively by 3 layers of primary support; and the primary support structures are under compressive stress; the maximum vertical stress occurs in haunches and sidewall and the maximum horizontal stress occurs in crown top. 3) The safety factor of secondary lining can meet the requirements of related specifications and guarantee the safety of tunnel.

high ground stress; soft rock tunnel; enlarging construction of circular tunnel; three-bench excavation method

2016-05-23;

2016-11-15

鄒翀(1971—)，男，江西南昌人，1996年畢業(yè)于南昌航空大學(xué)，機械工程專業(yè)，本科，教授級高級工程師，現(xiàn)從事隧道與地下工程科研工作。E-mail： zouchong0356@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.005

U 45

A

1672-741X(2017)01-0030-07