張海洋，徐文杰，王永剛

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院中核集團(tuán)高放廢物地質(zhì)處置技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；3.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅蘭州 730030)

中國(guó)層狀結(jié)構(gòu)的沉積巖、變質(zhì)巖覆蓋區(qū)域高達(dá)77.3%[1]，這類巖石通常具有各向異性特征，并且易導(dǎo)致隧道圍巖發(fā)生顯著的長(zhǎng)期變形[2]。深埋隧道處于高地應(yīng)力環(huán)境中，開挖和初期支護(hù)形成的低圍壓、高應(yīng)力差使圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極差，出現(xiàn)擠壓流變破壞，直接影響其長(zhǎng)期服役性能[3]。為此，國(guó)內(nèi)開展了大量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[4-5]和開挖支護(hù)技術(shù)研究[6]，并借助有限元[7]、有限差分法[8]等數(shù)值方法研究圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理，因地制宜地選擇支護(hù)形式和工程處理措施。

木寨嶺隧道在施工過(guò)程中遇到了噴射混凝土開裂、剝落，初期支護(hù)失效、局部二次襯砌開裂等典型的軟巖隧道大變形問(wèn)題[9]。本文考慮圍巖各向異性及蠕變特征，采用有限元模擬分析了襯砌及錨桿對(duì)圍巖的支護(hù)作用，比選較優(yōu)的施工支護(hù)方案。

1 工程概況

蘭渝鐵路木寨嶺特長(zhǎng)隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，其中DK177+700—DK192+170段以軟質(zhì)板巖為主，夾炭質(zhì)板巖，約占隧道總長(zhǎng)的46.53%。軟巖段最大埋深(600 m)處以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力為20～25 MPa，方向與隧道軸向(N30°～40°E)基本一致。

圖1 2種方案的施工工序

軟巖段采用復(fù)合式襯砌，設(shè)計(jì)了2種開挖支護(hù)方案，施工工序見圖1。初期支護(hù)采用噴錨支護(hù)，其中R32N自進(jìn)式錨桿長(zhǎng)4.5 m；C30噴射混凝土厚33 cm。二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，仰拱填充層為C20混凝土。在方案2中初期支護(hù)和二次襯砌之間增設(shè)輕質(zhì)混凝土緩沖層。

2 數(shù)值模型

2.1 數(shù)值模型的建立

木寨嶺隧道襯砌內(nèi)輪廓高達(dá)10.17 m，以隧道中心向外4倍洞徑作為計(jì)算區(qū)域，上下臺(tái)階開挖以2 m為一個(gè)進(jìn)尺，沿洞軸線方向(y方向)取32 m，即16個(gè)施工循環(huán)長(zhǎng)度，建立以隧道為中心的80.8 m(長(zhǎng))×32 m(寬)×80.8 m(高)的長(zhǎng)方巖體計(jì)算模型(圖2)。錨桿采用二節(jié)點(diǎn)三維桁架單元(T3D2)模擬，劃分網(wǎng)格長(zhǎng)度為0.5 m。

圖2 木寨嶺隧道計(jì)算模型

為模擬隧道開挖過(guò)程中的應(yīng)力釋放效應(yīng)[10]，利用溫度場(chǎng)變量控制材料參數(shù)，在隧道各段開挖前將該段開挖單元的彈性模量降低30%。隧道挖通并支護(hù)完成后進(jìn)行30年的圍巖蠕變計(jì)算。

2.2 模型材料參數(shù)

圍巖的彈性部分采用Engineering Constants模型，塑性部分則以金屬塑性模型為基礎(chǔ)，自定義平均主應(yīng)力(σ1+σ2+σ3)/3為一個(gè)場(chǎng)變量，并令屈服應(yīng)力與平均主應(yīng)力成線性關(guān)系，模擬巖石塑性特征。

建立材料局部坐標(biāo)系，以反映該區(qū)域炭質(zhì)板巖的橫觀各向同性。隧道圍巖塑性模型計(jì)算參數(shù)(表1)和蠕變模型計(jì)算參數(shù)(表2)根據(jù)長(zhǎng)期蠕變監(jiān)測(cè)結(jié)果反演獲得。需要開挖的內(nèi)洞為彈性材料，且彈性模量與圍巖彈性模量相同。 表 1 中R11，R22，R33，R12，R13，R23均為各向異性屈服應(yīng)力比。屈服應(yīng)力、塑性應(yīng)變與平均應(yīng)力場(chǎng)變量呈線性相關(guān)關(guān)系。表2中Q11，Q22，Q33，Q12，Q13，Q23均為各向異性蠕變應(yīng)力比，在橫觀各向同性模型中Q11＝Q22，Q13＝Q23。

支護(hù)結(jié)構(gòu)包括錨桿和混凝土襯砌。錨桿彈性模量為 210 GPa，泊松比為 0.3，密度為 7.85×103kg/m3?；炷烈r砌與圍巖密度均為2.3×103kg/m3，采用D-P破壞準(zhǔn)則?；炷烈r砌的材料參數(shù)依賴于溫度場(chǎng)變量。溫度場(chǎng)變量為0時(shí)該部分為巖體，為1時(shí)該部分采用開挖前巖體應(yīng)力松弛時(shí)的彈性模量，為2時(shí)該部分為混凝土襯砌。

表1 隧道圍巖塑性模型計(jì)算參數(shù)

表2 隧道圍巖蠕變模型計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

以雙層襯砌支護(hù)方案為代表分析應(yīng)力和變形特征。

3.1 圍巖應(yīng)力和變形特征

隧道開挖卸荷，左右兩邊墻均發(fā)生向洞內(nèi)的厘米級(jí)的水平位移。洞底出現(xiàn)不均勻的豎直向上位移，最大值位于仰拱中心及左右邊墻底部；最大沉降位于拱頂中心兩側(cè)。隨著支護(hù)逐漸完成，兩項(xiàng)位移的最大值都有所減小。蠕變期間洞周圍巖持續(xù)變形，受水平向構(gòu)造應(yīng)力的擠壓，豎直位移以向上為主，最大值出現(xiàn)在拱頂，豎向位移場(chǎng)向巖層層理面方向偏轉(zhuǎn)。

根據(jù)不同階段隧道圍巖應(yīng)力分布圖(見圖3)，隧道開挖后應(yīng)力發(fā)生大范圍重分布，且受巖層產(chǎn)狀影響，最大值約為23.8 MPa，出現(xiàn)在研究區(qū)域右后下方。后續(xù)支護(hù)結(jié)構(gòu)施工使洞周應(yīng)力有所減小，隨后續(xù)開挖又逐漸增大。蠕變期間圍巖蠕變起到了應(yīng)力松弛的效果，應(yīng)力逐漸減小，隧道底部應(yīng)力減小得最明顯。

圖3 不同階段隧道圍巖應(yīng)力分布(單位:Pa)

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形特征

不同階段二次襯砌應(yīng)力分布見圖4。可見:二次襯砌支護(hù)剛結(jié)束時(shí)其大部分處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力普遍在10 MPa左右；隨著施工進(jìn)行和蠕變，圍巖作用在襯砌上的力越來(lái)越大。最大值出現(xiàn)在二次襯砌邊墻底部與仰拱填充交界處的應(yīng)力集中區(qū)，由施工結(jié)束時(shí)的84 MPa發(fā)展為蠕變30年時(shí)的192 MPa。

不同階段錨桿最大主應(yīng)力分布見圖5?？梢?最大主應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于混凝土襯砌應(yīng)力。最大主應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂兩側(cè)角點(diǎn)區(qū)域，其值約2.30 GPa。支護(hù)結(jié)束時(shí)該處錨桿最大主應(yīng)力達(dá)到2.55 GPa。圍巖長(zhǎng)期蠕變使錨桿拉應(yīng)力明顯增加。蠕變30年時(shí)，除最上部拱頂和最下部邊墻底部錨桿拉應(yīng)力較低外，其余部位錨桿拉應(yīng)力在1.14～3.55 GPa，均發(fā)揮了顯著支護(hù)作用。與混凝土襯砌類似，受圍巖各向異性影響，左側(cè)錨桿應(yīng)力略高于右側(cè)。

圖4 不同階段二次襯砌應(yīng)力分布(單位:Pa)

圖5 不同階段錨桿最大主應(yīng)力分布(單位:Pa)

4 2種支護(hù)方案效果對(duì)比

施工階段方案2圍巖應(yīng)力低于方案1。蠕變期間2種方案圍巖應(yīng)力均有所降低，初期支護(hù)應(yīng)力變化不大，二次襯砌應(yīng)力均有不同程度提高。但方案2中二次襯砌應(yīng)力始終小于方案1，即支護(hù)結(jié)構(gòu)更安全。錨桿應(yīng)力增量很大，尤其在方案2中錨桿在蠕變期間支護(hù)作用得到充分發(fā)揮。方案2圍巖位移、襯砌和錨桿的水平位移均大于方案1，總體而言圍巖蠕變發(fā)展程度高于方案1。

為了更直觀地展示開挖支護(hù)后隧道的長(zhǎng)期變形，選取第7進(jìn)尺段二次襯砌臨空面上的左拱腰、拱頂左側(cè)、拱頂、拱頂右側(cè)、右拱腰共5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)比2種方案蠕變期間的位移，見圖6。可見:兩者拱頂水平位移相差不大，但越接近拱腰，不僅水平位移變大，而且2種方案之間的差距也越來(lái)越大，最大相差3.42 cm。受水平方向強(qiáng)烈構(gòu)造應(yīng)力的作用，蠕變30年時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)豎向位移均向上。同時(shí)受巖層產(chǎn)狀影響，2種方案豎向位移由大到小依次是拱頂＞拱頂左側(cè)＞拱頂右側(cè)＞右拱腰≈左拱腰。方案2中關(guān)鍵點(diǎn)豎向位移小于方案1，拱腰處相差較小，越接近拱頂相差越大，最大相差3.81 cm。蠕變5年時(shí)，水平向蠕變變形量已達(dá)到最終變形量(蠕變30年)的90%左右，豎向蠕變變形量則達(dá)到最終變形量的85%以上。

圖6 2種方案蠕變期間的位移對(duì)比

5 結(jié)論與建議

本文對(duì)比分析了木寨嶺隧道炭質(zhì)板巖(Ⅴ級(jí)圍巖)段在2種開挖支護(hù)方案下施工及長(zhǎng)期蠕變期間圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形特征。主要結(jié)論如下:

1)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布和變形特征很大程度上受水平方向強(qiáng)烈構(gòu)造應(yīng)力和巖層產(chǎn)狀的影響。

2)炭質(zhì)板巖蠕變會(huì)降低圍巖中的應(yīng)力，襯砌和錨桿的應(yīng)力則有大幅增加。蠕變導(dǎo)致洞周圍巖松弛，同時(shí)有更大的力作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，從而為軟巖隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)帶來(lái)隱患。

3)在初期支護(hù)和二次襯砌之間增設(shè)輕質(zhì)混凝土緩沖層有利于隧道圍巖應(yīng)力和變形的調(diào)整，可有效降低支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，從而充分發(fā)揮二層襯砌與錨桿的長(zhǎng)期支護(hù)作用，更適用于高地應(yīng)力條件下長(zhǎng)期流變特征明顯的軟巖段隧道支護(hù)。