■陳 翔

（三明福銀高速公路有限責(zé)任公司養(yǎng)護(hù)中心，三明 365000）

0 引言

福建省是一個(gè)多山地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，使得高速公路隧道的修建很難避免穿越具有顯著時(shí)效變形特征的軟巖區(qū)域[1]。隧道圍巖的時(shí)效變形特性，不僅會(huì)造成施工期間經(jīng)常會(huì)發(fā)生拱頂坍塌、底鼓、突水、涌泥等地質(zhì)災(zāi)害，而且還會(huì)造成運(yùn)營(yíng)期間隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的開裂、滲水、甚至坍塌等穩(wěn)定性問(wèn)題，嚴(yán)重影響著高速公路隧道的安全運(yùn)營(yíng)[1-5]。

永寧高速公路是福建省永安至寧化高速公路國(guó)家規(guī)劃的重點(diǎn)干線公路“泉州至南寧”的重要組成部分，是東部沿海地區(qū)通往中部地區(qū)重要的省際通道，也是一條重要的國(guó)防交通干線和快速入閩通道[2]。永寧高速公路的石林隧道圍巖具有典型的軟巖時(shí)效大變形特征，不僅施工期間出現(xiàn)過(guò)多次地質(zhì)災(zāi)害，而且貫通運(yùn)營(yíng)至今隧道襯砌結(jié)構(gòu)局部已出現(xiàn)裂縫和底鼓現(xiàn)象，潛在影響著隧道的安全運(yùn)營(yíng)[1-5]。

1 永寧高速石林隧道工程概況

永寧高速公路石林隧道距永安市區(qū)約8km，隧道長(zhǎng)2865m，最大開挖斷面約110m2，最大埋深約為320m。石林隧道位于地質(zhì)條件復(fù)雜的山嶺，不僅構(gòu)造應(yīng)力作用較強(qiáng)，而且工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，例如：受斷層帶和褶皺等地質(zhì)構(gòu)造和地下水的影響，巖體破碎，節(jié)理發(fā)育，力學(xué)強(qiáng)度低，具有顯著的時(shí)效變形特征[4]。

石林隧道開挖施工期間，YK14+260～YK14+320段受軟弱圍巖大變形的影響，連續(xù)發(fā)生多次突泥涌水事故，導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)發(fā)生拱頂沉降、坍塌、底鼓和二襯開裂等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重困擾著施工安全和影響工期。事后結(jié)合地質(zhì)條件、災(zāi)害特征、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)成果，分析產(chǎn)生上述災(zāi)害的機(jī)理，提出了相應(yīng)的圍巖加固措施和改進(jìn)的施工工藝，控制了軟弱圍巖大變形對(duì)隧道施工過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)和施工工期的影響[4]。2011年6月至8月福州大學(xué)對(duì)該段的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，仰拱隆起位移總體較小，隆起現(xiàn)象不明顯；大部分?jǐn)嗝嬉r砌拱頂處表面受拉、拱腰處受壓以及邊墻處受拉，應(yīng)變值在10-5數(shù)量級(jí)以內(nèi)，開裂的裂縫寬度變化微小，短期沒有進(jìn)一步發(fā)展的跡象[5]。

以往的研究成果大都從隧道施工現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題出發(fā)，研究軟弱圍巖變形特性對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，很少?gòu)倪\(yùn)營(yíng)期間或設(shè)計(jì)服務(wù)年限角度研究軟巖時(shí)效變形特性對(duì)隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響[1-9]。本文以福建永寧高速公路的石林隧道為例，著重分析軟巖時(shí)效變形特性對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響。

2 石林隧道數(shù)值計(jì)算模型概述

2.1 石林隧道的幾何模型

鑒于應(yīng)力越高軟巖的時(shí)效變形特性越顯著的特點(diǎn)，石林隧道埋深選取其最大埋深即320m。依據(jù)石林隧道的設(shè)計(jì)和地質(zhì)資料，采用FLAC3D巖土工程數(shù)值計(jì)算軟件，建立了石林隧道的數(shù)值計(jì)算模型，如圖1所示。其中平面模型水平寬100m，豎向高110m，隧道軸線方向?yàn)閱挝婚L(zhǎng)度；隧道位于模型的中央，隧道跨度為12.52m，未建立的覆巖以均布面壓力考慮；初襯厚0.28m，二襯厚45cm，隧道起拱段以上累計(jì)施加23根3.5m長(zhǎng)的全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿，如圖2所示。

圖1 石林隧道數(shù)值計(jì)算模型

圖2 石林隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 隧道巖體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)

數(shù)值計(jì)算模型中石林隧道圍巖分別選取理想彈塑性和粘塑性cvisc蠕變本構(gòu)模型，用以表征開挖階段和運(yùn)營(yíng)階段圍巖的力學(xué)特性。混凝土初襯、鋼筋混凝土二襯、回填混凝土和錨桿均采用理想彈塑性本構(gòu)模型，其中以等效提高初襯和二襯混凝土力學(xué)強(qiáng)度的方法來(lái)近似反應(yīng)鋼拱架和鋼筋的作用。參考石林隧道地質(zhì)資料及相關(guān)文獻(xiàn)，選取石林隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表1至表3所示。

表1 隧道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)表[2,3]

表2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)表[2,3]

表3 隧道錨桿的物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 數(shù)值計(jì)算模型邊界條件及數(shù)值模擬過(guò)程概述

石林隧道數(shù)值計(jì)算模型兩側(cè)及底部采用面外法線方向位移約束邊界條件，模型頂部施加6.5MPa的均布面壓力表征未建立覆巖的影響。地層水平側(cè)壓力系數(shù)取1.25。重力加速度大小為9.8m/s2，方向?yàn)樨Q向向下。約束整個(gè)模型平面外法線方向的位移使之簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題。

數(shù)值模擬過(guò)程大致分為三步，首先，進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)作用下的靜力平衡模擬；其次，將模型變形場(chǎng)清零，進(jìn)行隧道斷面開挖支護(hù)的模擬；最后，給定隧道圍巖為粘塑性蠕變本構(gòu)模型，進(jìn)行隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性模擬。

3 圍巖時(shí)效變形特性對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響分析

以下將從隧道靜力開挖支護(hù)穩(wěn)定和隧道不同運(yùn)營(yíng)時(shí)間狀態(tài)下，對(duì)比分析隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、塑性破壞區(qū)域的變化規(guī)律，探究軟弱圍巖時(shí)效變形特性對(duì)隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響。

3.1 塑性破壞區(qū)域分析

不同運(yùn)營(yíng)時(shí)刻下隧道襯砌結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布圖（圖3）直觀地表明，隧道斷面開挖支護(hù)穩(wěn)定后（t=0時(shí)刻），只有初襯與圍巖接觸面附近發(fā)生塑性屈服，屈服區(qū)域甚小。隨隧道運(yùn)營(yíng)年限的增加，隧道二襯混凝土逐漸產(chǎn)生拉剪屈服，且屈服范圍隨之增大的趨勢(shì)。例如：當(dāng)隧道運(yùn)營(yíng)t=5年時(shí)，隧道拱底和左右邊墻開始出現(xiàn)塑性屈服；當(dāng)t=10年時(shí)，左側(cè)邊墻塑性區(qū)基本貫通混凝土襯砌，且左右邊坡塑性屈服區(qū)域具有不對(duì)稱性；當(dāng)t=40年時(shí)，隧道左右邊墻的塑性區(qū)已完全貫通混凝土襯砌，同時(shí)隧道拱頂出現(xiàn)大面積塑性屈服區(qū)域且已基本貫通混凝土襯砌；當(dāng)t=100年時(shí)，隧道左右邊墻、拱頂、拱底的塑性區(qū)較t=40年有不同程度的增大?？梢?，從不同運(yùn)營(yíng)年限的混凝土襯砌塑性區(qū)分布規(guī)律可知，軟弱圍巖的時(shí)效大變形特性對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有顯著的影響。

圖3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的塑性區(qū)分布圖

3.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

不同運(yùn)營(yíng)時(shí)刻下的最大主應(yīng)力分布圖（圖4）清晰地表明，隨隧道運(yùn)營(yíng)年限的增加，隧道混凝土襯砌由開挖支護(hù)穩(wěn)定后的較為均勻的受力狀態(tài)，逐漸發(fā)展到隧道拱底、左右邊墻和拱頂出現(xiàn)顯著的拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力區(qū)的位置、分布面積及先后出現(xiàn)的時(shí)刻均與上述混凝土襯砌塑性區(qū)隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間變化規(guī)律相一致。圖5給出了二襯混凝土拱頂、左右邊墻和拱底四個(gè)關(guān)鍵位置處的最大主應(yīng)力時(shí)程曲線，從中可知在在隧道運(yùn)營(yíng)期間，四處位置均出現(xiàn)了顯著的拉應(yīng)力狀態(tài)，且拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)先后均與各自塑性區(qū)出現(xiàn)時(shí)機(jī)相一致。

圖4 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力分布圖(單位kPa)

圖5 隧道襯砌結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的最大主應(yīng)力時(shí)程曲線圖

不同時(shí)刻下錨桿軸力分布圖（圖6）和左右邊墻和拱頂錨桿時(shí)程曲線圖（圖7）表明，隨隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，隧道錨桿軸力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)運(yùn)營(yíng)時(shí)間在20年至60年之間時(shí)，隧道錨桿處于較高的工作內(nèi)力狀態(tài)，最大工作內(nèi)力是其破斷力的75%左右，且在隧道100年的運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)，軸力較大的錨桿均位于在上述產(chǎn)生顯著塑性屈服的左右邊墻和拱頂位置。因此，從混凝土襯砌應(yīng)力和錨桿軸力分布規(guī)律角度還可進(jìn)一步驗(yàn)證圍巖時(shí)效變形特性對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性的顯著影響。

3.3 變形場(chǎng)分析

不同時(shí)刻下的混凝土襯砌位移云圖（圖8）和圖9所示四個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程表明，隨隧道運(yùn)時(shí)間的增加，隧道拱底、左右邊墻和拱頂四個(gè)關(guān)鍵位置開始出現(xiàn)不同程度的變形集中區(qū)，位移集中變形區(qū)域與相同時(shí)刻下塑性區(qū)和最大主應(yīng)力分布區(qū)域相同，且相同時(shí)刻下隧道對(duì)稱位置的變形量卻呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性，變形量由大到小的區(qū)域依次為隧道拱頂、左側(cè)邊墻、右側(cè)邊墻、拱底。

圖6 隧道錨桿軸力分布圖(單位kN)

圖7 隧道關(guān)鍵位置錨桿軸力時(shí)程曲線圖

4 結(jié)論

綜上基于軟弱圍巖時(shí)效變形特性的石林隧道襯砌長(zhǎng)期穩(wěn)定性的數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，無(wú)論是從混凝土襯砌的塑性屈服、應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、錨桿內(nèi)力的分布規(guī)律，還是隧道關(guān)鍵位置的時(shí)程曲線變化規(guī)律，均表明軟弱圍巖的時(shí)效變形特性顯著影響著隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，實(shí)際工程設(shè)計(jì)不能忽視圍巖時(shí)效變形特性對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響，實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)采取諸如注漿加固改善圍巖力學(xué)特性的方法，提高圍巖的整體強(qiáng)度，減少甚是消除圍巖時(shí)效變形對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，保證隧道結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)設(shè)計(jì)年限，否則會(huì)導(dǎo)致隧道混凝土襯砌開裂、錨桿破斷、隧道坍塌等工程事故。隧道運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)加強(qiáng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)災(zāi)害前兆，進(jìn)而便于采取相應(yīng)的處理措施。

圖8 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的總位移云圖（單位m）

圖9 隧道襯砌結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的總位移時(shí)程曲線圖

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