付大喜，李世鑫，翁效林

(1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

隨著我國(guó)隧道工程建設(shè)的不斷發(fā)展，長(zhǎng)大深埋公路隧道已經(jīng)是我國(guó)今后隧道及地下工程發(fā)展的主要方向.軟巖是指在膠結(jié)程度差，受構(gòu)造切割面及風(fēng)化影響嚴(yán)重或因斷裂、節(jié)理裂隙發(fā)育而削弱的松、散、軟、弱巖層，其承載能力極低[1].隨著隧道埋深的增加，水平方向上構(gòu)造地應(yīng)力分布極不均勻且復(fù)雜，極易產(chǎn)生高地應(yīng)力區(qū)，隧道開(kāi)挖后將擾動(dòng)初始應(yīng)力場(chǎng)使圍巖應(yīng)力重分布，當(dāng)圍巖應(yīng)力不斷增大且得不到釋放時(shí)，應(yīng)力將高度集中在拱腳等狹窄位置或支護(hù)薄弱處，當(dāng)超過(guò)圍巖抗壓強(qiáng)度時(shí)，必然造成圍巖嚴(yán)重?fù)p傷.對(duì)于軟巖斷面之間將互相擠壓、拉裂、蠕動(dòng)，產(chǎn)生塑性大變形，對(duì)于硬巖則產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象.為減緩軟巖塑性區(qū)的發(fā)展，襯砌將承受?chē)鷰r形變壓力，使鋼架扭曲、襯砌裂損、錨桿拉斷、掌子面坍塌，變形速度快且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響隧道施工安全與進(jìn)度[2-4].對(duì)于高地應(yīng)力軟巖隧道，確保隧道快速安全施工、充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力和降低圍巖松弛是當(dāng)前研究中的關(guān)鍵問(wèn)題.

針對(duì)深埋軟巖隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)的圍巖失穩(wěn)塌方以及襯砌病害，來(lái)弘鵬[5]基于先加載后開(kāi)洞不同應(yīng)力場(chǎng)下公路隧道模型試驗(yàn)，再現(xiàn)不同初始地應(yīng)力場(chǎng)條件下圍巖應(yīng)力分布特征及襯砌結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，試驗(yàn)表明：不同應(yīng)力場(chǎng)下洞周應(yīng)力松弛程度不同，應(yīng)力場(chǎng)的改變對(duì)襯砌切向應(yīng)力具有較大影響.Zeng等[6]通過(guò)數(shù)值反演和理論分析確定了羊渠河礦深部軟巖的應(yīng)力場(chǎng)分布及變形特征，并根據(jù)羊渠河礦巷道錨索-鋼架支護(hù)系統(tǒng)作用機(jī)理提出預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)交互支護(hù)的技術(shù)方案，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了該支護(hù)方案的合理性和可靠性.關(guān)寶樹(shù)[7]根據(jù)軟巖隧道變形的基本規(guī)律，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀并從變形控制的基本要求出發(fā), 系統(tǒng)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外通過(guò)超前支護(hù)控制先行位移、通過(guò)掌子面補(bǔ)強(qiáng)控制擠出位移、通過(guò)腳部補(bǔ)強(qiáng)控制腳部下沉以及加強(qiáng)初期支護(hù)來(lái)控制隧道開(kāi)挖后變形的基本對(duì)策.李冠鵬[8]以普氏理論、比爾鮑曼理論為基礎(chǔ)，對(duì)超前小導(dǎo)管支護(hù)體系的力學(xué)特性進(jìn)行研究，并數(shù)值模擬了不同環(huán)向注漿范圍、不同管徑和長(zhǎng)度的小導(dǎo)管對(duì)拱頂沉降和掌子面擠出位移的控制效果，結(jié)果表明：隨著注漿圈范圍及管徑的增大，位移控制效果減緩，應(yīng)合理布設(shè)超前小導(dǎo)管.劉宇鵬[9]基于應(yīng)變軟化的彈塑性解建立隧道長(zhǎng)短錨桿聯(lián)合支護(hù)力學(xué)模型，論證了高地應(yīng)力軟巖隧道對(duì)錨桿加長(zhǎng)的必要性，建議對(duì)于深埋軟巖隧道應(yīng)采取長(zhǎng)短錨桿聯(lián)合支護(hù)的策略，與每延米相同用量的短錨桿相比聯(lián)合支護(hù)能夠有效降低隧道洞壁處位移.王志杰[10]以大梁隧道為例，研究了高地應(yīng)力條件下不同開(kāi)挖工法引起的洞周變形和襯砌結(jié)構(gòu)受力特性，研究結(jié)果表明：三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法和三臺(tái)階七步開(kāi)挖法都能夠有效控制洞周位移，但七步開(kāi)挖多次擾動(dòng)圍巖且支護(hù)結(jié)構(gòu)閉環(huán)較慢，所以，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件靈活及時(shí)轉(zhuǎn)換工法.

目前，關(guān)于高地應(yīng)力軟巖隧道大變形控制理論及施工技術(shù)研究取得了豐富的成果，但軟巖隧道大變形受地質(zhì)情況、施工工藝等因素影響較大，且前期研究多從地質(zhì)強(qiáng)度、施工工法或支護(hù)方式的角度來(lái)探討單個(gè)施工因素的變化對(duì)隧道開(kāi)挖的影響，缺乏對(duì)其組合工況下變形機(jī)理的綜合分析.因此，本文依托象君山隧道為工程背景，基于Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則確定巖石力學(xué)參數(shù)，系統(tǒng)分析了不同巖體強(qiáng)度下采用不同的開(kāi)挖工法對(duì)隧道開(kāi)挖變形及應(yīng)力分布的影響規(guī)律，并進(jìn)行支護(hù)時(shí)機(jī)優(yōu)化探討，提出抑制隧道大變形控制措施，為實(shí)際工程隧道快速施工和技術(shù)安全穩(wěn)定控制提供技術(shù)參考及理論研究.

1 工程背景

在建象君山隧道是欒盧高速關(guān)鍵控制性工程，位于伏牛山山脈北麓，全長(zhǎng)5 508 m，屬于分離式隧道，隧道最大埋深為390 m，跨越兩個(gè)斷層破裂帶.根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告與實(shí)地觀察，圍巖多為風(fēng)化片巖，以Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖為主，Ⅴ級(jí)圍巖主要集中在兩個(gè)地質(zhì)斷層帶附近，隧址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，巖性較為軟弱，Ⅴ級(jí)圍巖巖層主要為灰白色強(qiáng)風(fēng)化片巖，變晶結(jié)構(gòu)，片構(gòu)造，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石等，局部含少量云母，圍巖破碎，裂隙發(fā)育，部分地段受斷層破裂帶等軟弱結(jié)構(gòu)面控制，施工時(shí)處理不當(dāng)有股狀流水或滴水現(xiàn)象，甚至可能產(chǎn)生突泥和塌方.設(shè)計(jì)施工時(shí)，隧道Ⅴ級(jí)圍巖土質(zhì)較差段施工時(shí)按CRD法或者環(huán)形預(yù)留核心土法進(jìn)行開(kāi)挖，襯砌按新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，嚴(yán)格遵守“管超前，嚴(yán)注漿，短進(jìn)尺，少擾動(dòng)，強(qiáng)支護(hù)，快加固，早成環(huán)，勤量測(cè)”的原則.為確保本工程順利進(jìn)行，需深入對(duì)深埋軟巖隧道開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定性及其內(nèi)部應(yīng)力與變形演變規(guī)律展開(kāi)系統(tǒng)性研究，并為工程預(yù)加固和支護(hù)措施提供建議.

2 三維隧道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖分析

2.1 Hoek-Brown常數(shù)及廣義H-B準(zhǔn)則

Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則是霍克等人在參考Griffith經(jīng)典強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量巖石三軸試驗(yàn)提出的巖體非線性破壞經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，其綜合考慮了巖體結(jié)構(gòu)面和應(yīng)力狀態(tài)等對(duì)巖體強(qiáng)度的影響，系統(tǒng)解釋了拉應(yīng)力區(qū)、低應(yīng)力區(qū)和最小主應(yīng)力對(duì)巖石強(qiáng)度的影響機(jī)理，對(duì)各向異性巖體或深埋破碎巖體均適用，其強(qiáng)度估算的普遍公式為[11]

(1)

式中：σ1，σ3為巖體破壞時(shí)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力；σci為組成巖體完整巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度；mb為巖體的Hoek-Brown參數(shù)，取值為0.000 000 1～25；s為與巖體質(zhì)量有關(guān)的常數(shù)，取值為0～1；α為有關(guān)巖體結(jié)構(gòu)的參數(shù).

mb、s和α與巖體結(jié)構(gòu)面情況相關(guān)且相互獨(dú)立，可由巖體地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI值和擾動(dòng)程度D求得.對(duì)于嚴(yán)重?cái)_動(dòng)巖體D取1，施工無(wú)擾動(dòng)時(shí)D取0.其判別公式為

(2)

(3)

(4)

式中：mi為完整巖塊的Hoek-Brown常數(shù)；GSI為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)[12-13].

考慮爆破開(kāi)挖及應(yīng)力松弛對(duì)巖體影響，巖體變形模量的估算可采用如下的公式.

當(dāng)σci<100 MPa時(shí)

(5)

當(dāng)σci>100 MPa時(shí)

(6)

為了更好地探討巖體地質(zhì)強(qiáng)度參數(shù)對(duì)隧道洞身位移的變化影響規(guī)律，取GSI分別為30，50，70，90，對(duì)應(yīng)圍巖等級(jí)為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級(jí)，并結(jié)合霍克布朗屈服準(zhǔn)則及《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》采用軟件RocLab估算的巖石力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)如表1所示[14-16].

表1 基于GSI分類(lèi)系統(tǒng)和H-B準(zhǔn)則確定的圍巖力學(xué)參數(shù)表

2.2 有限元彈塑性模型

為了更好地反應(yīng)空間效應(yīng)，采用有限元軟件Midas GTS對(duì)不同巖石強(qiáng)度參數(shù)下隧道施工變形展布規(guī)律展開(kāi)系統(tǒng)性數(shù)值分析研究[17-18].隧道圍巖按均質(zhì)彈塑性材料考慮，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，用實(shí)體單元模擬.Ⅴ級(jí)軟弱破碎圍巖帶開(kāi)挖前需進(jìn)行超前支護(hù)，超前小導(dǎo)管和超前注漿對(duì)圍巖的加固效果通過(guò)將洞周?chē)鷰r彈性模量提高42%～56%，粘聚力提高35%～51%，內(nèi)摩擦角提升2.3～3.4°來(lái)等效模擬[19]，注漿加固范圍為拱頂及上拱腰環(huán)向120°區(qū)域.3 mφ22系統(tǒng)錨桿采用植入式桁架并視為線彈性材料.初期支護(hù)采用板單元模擬，厚度為30 cm，其強(qiáng)度通過(guò)將18號(hào)型鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的彈性模量等效到噴射混凝土的襯砌彈性模量中計(jì)算.支護(hù)力學(xué)參數(shù)如表2所示.

表2 支護(hù)力學(xué)參數(shù)

象君山深埋隧道ZK55+845～ZK55+915段平均埋深200 m，為簡(jiǎn)化計(jì)算，取上部隧道埋深50 m建模，其他埋深通過(guò)在上部邊界施加均布荷載q=γh=5 MPa等效土體自重，水平構(gòu)造地應(yīng)力通過(guò)側(cè)壓力系數(shù)K來(lái)實(shí)現(xiàn)，K取1.2.考慮到模型開(kāi)挖邊界效應(yīng)，模型隧道底面距土體底部邊界為4倍洞徑，左右邊界至隧道中心線約為3.5倍洞徑，縱向方向取50 m的開(kāi)挖長(zhǎng)度，建立模型尺寸為100 m×50 m×100 m.邊界約束條件為：模型前后、左右和底部邊界施加垂直于圍巖面的法向約束的位移邊界，頂面為自由邊界.

圖1 分離式隧道內(nèi)輪廓圖

為了深入考慮開(kāi)不同挖工法對(duì)巖體變形機(jī)制的影響，對(duì)三臺(tái)階法、CRD法、環(huán)形預(yù)留核心土法及三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法進(jìn)行有限元模擬開(kāi)挖(開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺為1 m)，并對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)與變形狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析.

各開(kāi)挖工法模型洞室網(wǎng)格細(xì)部劃分如圖2所示.

圖2 各開(kāi)挖工法模型洞室網(wǎng)格細(xì)部劃分示意圖

2.2.1 圍巖變形分析

圖3為不同巖石強(qiáng)度參數(shù)下采用四種開(kāi)挖工法對(duì)隧道開(kāi)挖結(jié)束后中間斷面洞周沉降和收斂變形的影響.根據(jù)結(jié)果所示，對(duì)于圍巖破碎、節(jié)理發(fā)育的軟弱巖體，采用CRD法或三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開(kāi)挖時(shí)隧道拱腳收斂位移約為三臺(tái)階或環(huán)形預(yù)留核心土開(kāi)挖時(shí)拱腳位移的2%～3%，墻腰水平收斂位移約為后者的9%～14%，拱頂沉降也隨開(kāi)挖工法的改變有緩慢下降的趨勢(shì).當(dāng)GSI為50時(shí)，巖石強(qiáng)度相對(duì)良好，此時(shí)采用CRD法及三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法對(duì)變形的控制效果雖然不如較差圍巖時(shí)表現(xiàn)突出，但均明顯優(yōu)于三臺(tái)階與環(huán)形預(yù)留核心土開(kāi)挖.當(dāng)GSI為50和GSI為70時(shí)，對(duì)于穩(wěn)定巖體，無(wú)論采用何種開(kāi)挖工法都能很好地控制變形，且洞周變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定.因此當(dāng)圍巖強(qiáng)度較差時(shí)，優(yōu)先采用CRD法或環(huán)形預(yù)留核心土法進(jìn)行開(kāi)挖，對(duì)大變形有良好控制效果，當(dāng)圍巖具有一定強(qiáng)度時(shí)，由于不同開(kāi)挖工法對(duì)圍巖變形控制效果區(qū)別不大，且圍巖有不錯(cuò)的自承能力，因此，可以采用三臺(tái)階法或全斷面法開(kāi)挖，成環(huán)較快，工期較短，節(jié)約造價(jià).

圖3 不同巖體強(qiáng)度下各工法洞周位移變化

可以明顯看出，對(duì)于穩(wěn)定性差的軟巖(GSI=30)，采用三臺(tái)階或預(yù)留核心土法開(kāi)挖時(shí)，由于沒(méi)有臨時(shí)支撐抵抗圍巖向臨空面擠壓變形的壓力，且圍巖自身承載力不足，開(kāi)挖斷面支護(hù)后，在圍壓作用下，支護(hù)結(jié)構(gòu)腳部將產(chǎn)生向下的位移，圍巖松弛區(qū)域擴(kuò)大且洞周產(chǎn)生大變形，變形以拱腳處最為突出.因此必須加強(qiáng)軟弱圍巖開(kāi)挖時(shí)對(duì)拱腳的補(bǔ)強(qiáng)，提高基底承載力，腳部圍巖補(bǔ)強(qiáng)以減少接地應(yīng)力(加肋鋼支撐)為目的或提高拱腳承載力(打入腳部錨桿或水平錨管等)為目的，而對(duì)于穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高的圍巖拱腳變形量相對(duì)拱頂沉降量較小[7].而三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法以及CRD法通過(guò)分割隧道面并設(shè)置臨時(shí)支撐使隧道暫時(shí)形成早期閉合構(gòu)造，有效地減少了拱腰與拱腳變形，但是在斷面成環(huán)及拆除臨時(shí)支撐時(shí)這兩種方法將產(chǎn)生較大變形量，施工過(guò)程中因根據(jù)圍巖變形情況進(jìn)行小心作業(yè).

2.2.2 圍巖主應(yīng)力狀態(tài)分析

分析不同地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI下的圍巖主應(yīng)力變化趨勢(shì)，如圖4所示，當(dāng)巖體地質(zhì)強(qiáng)度較差(GSI=30)時(shí)，采用三臺(tái)階法開(kāi)挖將產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，不利于圍巖穩(wěn)定，洞周也將產(chǎn)生較大變形量，結(jié)合圖3，其拱腳收斂達(dá)到101.3 cm，墻腰收斂達(dá)到61.44 cm；隨著圍巖強(qiáng)度的提高，采用三臺(tái)階法開(kāi)挖對(duì)圍巖應(yīng)力的控制效果趨于穩(wěn)定，此時(shí)沉降與收斂變形量也顯著減少.采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法、CRD法及環(huán)形預(yù)留核心土法開(kāi)挖后，圍巖最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力值隨巖體強(qiáng)度的增加變化不大，相對(duì)于強(qiáng)度較高圍巖此時(shí)對(duì)Ⅴ級(jí)軟巖也有明顯的應(yīng)力控制效果.因此采用三臺(tái)階法開(kāi)挖方式對(duì)地質(zhì)強(qiáng)度要求較高，對(duì)于深埋Ⅴ級(jí)軟巖隧道，不宜采用三臺(tái)階法施工，此時(shí)無(wú)論是圍巖應(yīng)力或者洞周變形均不能得到有效的控制，若應(yīng)力過(guò)大超過(guò)圍巖抗壓強(qiáng)度，巖體將產(chǎn)生塑性松弛區(qū)域且喪失穩(wěn)定.

圖4 各工法圍巖主應(yīng)力隨巖體強(qiáng)度變化趨勢(shì)

考慮實(shí)際工程Ⅴ級(jí)破碎軟巖圍巖施工變形大，技術(shù)要求高，因此，對(duì)GSI=30時(shí)軟弱圍巖模擬結(jié)果作主要分析.根據(jù)圣維南原理，提取模型中間斷面圍巖最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力值，根據(jù)表3，結(jié)果表明采用CRD法開(kāi)挖對(duì)圍巖最大主應(yīng)力的控制效果相對(duì)于三臺(tái)階法和環(huán)形預(yù)留核心土法提升了39.9%和3.7%，最小主應(yīng)力的控制效果提升了49.7%和29.3%.采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開(kāi)挖對(duì)最大主應(yīng)力的控制效果相對(duì)于三臺(tái)階法和環(huán)形預(yù)留核心土法提升了39.8%和3.6%，最小主應(yīng)力的控制效果約提升了57.8%和40.5%.

表3 中間斷面圍巖主應(yīng)力狀態(tài)

根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力提取結(jié)果，由圖5可知，無(wú)論采取哪種工法開(kāi)挖，相對(duì)于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)，拱腳都是壓應(yīng)力值較大處，尤其是三臺(tái)階法施工在拱腳處最容易發(fā)生圍巖流變現(xiàn)象，拱腰也由于臺(tái)階開(kāi)挖產(chǎn)生狹窄三角區(qū)導(dǎo)致應(yīng)力分布較大，其拱頂及拱腰應(yīng)力值則相對(duì)較小.環(huán)形預(yù)留核心土法、CRD法和三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力整體控制效果顯著優(yōu)于三臺(tái)階法；由于中隔墻和臨時(shí)仰拱的存在，CRD法拱頂?shù)膽?yīng)力值較大而對(duì)拱腰應(yīng)力值控制效果最好，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法在拱腰位置處應(yīng)力值較大，但其對(duì)拱腳應(yīng)力的控制效果在四種開(kāi)挖工法中最優(yōu).因此，在施工過(guò)程中，采取不同的開(kāi)挖工法時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其相應(yīng)位置應(yīng)力集中處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)增強(qiáng)其承載能力，可以通過(guò)打入鎖腳錨桿或在拱腳和臨時(shí)支撐處圍巖內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)注漿進(jìn)行加固.

圖5 圍巖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力提取結(jié)果

2.2.3 圍巖塑性區(qū)分布分析

分析不同工法對(duì)Ⅴ級(jí)軟巖狀態(tài)下塑性區(qū)范圍的控制效果，由圍巖塑性區(qū)結(jié)果圖6可知，三臺(tái)階法產(chǎn)生的塑性范圍最大，主要集中在兩拱腰、拱底與拱腳，在拱腳與拱底產(chǎn)生嚴(yán)重破壞區(qū)，在這個(gè)位置處需加強(qiáng)支護(hù).CRD法和三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法能夠有效減小塑性區(qū)范圍，且在拱腳處，CRD法開(kāi)挖有對(duì)拱腳變形控制效果最為良好，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法也有減弱此區(qū)域內(nèi)圍巖塑性延展的趨勢(shì).開(kāi)挖結(jié)束后，三臺(tái)階、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱和預(yù)留核心土開(kāi)挖法的塑性區(qū)厚度和向巖體深部擴(kuò)展趨勢(shì)有向注漿加固區(qū)域緩慢減小的趨勢(shì)，拱頂區(qū)域內(nèi)塑性變形最小，說(shuō)明超前注漿加固能夠有效地控制巖體產(chǎn)生塑性流變；而CRD法開(kāi)挖由于中隔壁的存在，明顯抑制住了拱腳和拱頂鋼支撐處的塑性區(qū)發(fā)展，拱頂?shù)乃苄詤^(qū)厚度相對(duì)于拱腰有所增大，但整體來(lái)說(shuō)洞周變形遠(yuǎn)小于其他工法開(kāi)挖.

圖6 Ⅴ級(jí)圍巖塑性區(qū)分布圖

3 軟巖隧道支護(hù)時(shí)機(jī)優(yōu)化

3.1 軟巖隧道支護(hù)原理

軟巖隧道支護(hù)理論允許其塑性圈的產(chǎn)生，何滿(mǎn)潮認(rèn)為軟弱圍巖即將出現(xiàn)松動(dòng)破壞區(qū)時(shí)即為最佳支護(hù)時(shí)機(jī)，假設(shè)隧道開(kāi)挖后使圍巖向臨空區(qū)運(yùn)動(dòng)各種力 的合力為PT，軟巖隧道支護(hù)原理可表示為[20]

PT=PD+PR+PS

(7)

由上式可以看出使圍巖變形的合力PT是由三部分力分擔(dān).第一部分PD在隧道開(kāi)挖后將通過(guò)巖石形變釋放一部分彈塑性能，第二部分PR由圍巖自身承載，承載能力取決于圍巖強(qiáng)度及支護(hù)時(shí)機(jī)，但第三部分PS由工程支護(hù)承擔(dān)，現(xiàn)行支護(hù)理論研究應(yīng)找到PD與PR合力最大點(diǎn)，由PD與PR隨時(shí)間變化曲線知，TS時(shí)機(jī)進(jìn)行支護(hù)即為圍巖自承力與變形能轉(zhuǎn)換的工程力合力的峰值.由于工程中難以確定最佳支護(hù)時(shí)機(jī)，因此，可在最佳支護(hù)時(shí)間段[TS1～TS2]內(nèi)進(jìn)行支護(hù).

圖7 最佳支護(hù)時(shí)機(jī)Ts及最佳支護(hù)時(shí)段[TS1～TS2]示意圖

3.2 基于LDF的開(kāi)挖時(shí)間效應(yīng)分析

設(shè)置八個(gè)工況，通過(guò)改變每個(gè)循環(huán)進(jìn)尺荷載釋放系數(shù)LDF來(lái)研究Ⅴ級(jí)軟巖隧道(側(cè)壓力系數(shù)取1.2)開(kāi)挖時(shí)合理的支護(hù)時(shí)機(jī)(表4).荷載釋放系數(shù)通過(guò)定義相鄰施工階段圍巖開(kāi)挖已釋放荷載占總開(kāi)挖荷載的百分比來(lái)模擬實(shí)際過(guò)程隧道開(kāi)挖的時(shí)間效應(yīng)和應(yīng)力釋放過(guò)程，適當(dāng)調(diào)整荷載釋放系數(shù)可以把當(dāng)前開(kāi)挖產(chǎn)生的應(yīng)力適當(dāng)分配給下一步激活的模擬單元(如支護(hù)、襯砌等).

表4 隧道開(kāi)挖后圍巖荷載釋放系數(shù)LDF設(shè)置

如圖8所示，隨著開(kāi)挖階段荷載釋放比例的增大，即支護(hù)時(shí)間的延遲，洞周?chē)鷰r變形值總體呈增大趨勢(shì)，當(dāng)開(kāi)挖階段荷載釋放10%時(shí)，拱頂沉降及拱腰收斂變形都為最小值，此時(shí)進(jìn)行支護(hù)也能夠充分釋放圍巖形變能，即為最佳支護(hù)時(shí)機(jī).當(dāng)開(kāi)挖階段釋放20%～30%時(shí)，拱頂沉降緩慢增加，而拱腰收斂及拱腳收斂變形平穩(wěn)，與立即支護(hù)的圍巖變形量基本相同，但與立即支護(hù)相比，此時(shí)，段內(nèi)進(jìn)行支護(hù)可以減少隧道后期變形時(shí)施加在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載，對(duì)圍巖穩(wěn)定變形亦能產(chǎn)生良好控制效果.當(dāng)開(kāi)挖后釋放荷載比例大于30%時(shí)，拱腰與拱腳收斂位移速度加快，說(shuō)明支護(hù)不及時(shí)，大大降低了初期支護(hù)的控制效果.因此，對(duì)于軟巖隧道實(shí)際工程施工中，合理支護(hù)時(shí)機(jī)應(yīng)在開(kāi)挖后荷載釋放10%～30%時(shí)間段內(nèi)，堅(jiān)持“抗放結(jié)合”的原則，避免支護(hù)太早，不能充分發(fā)揮圍巖自承能力，同時(shí)也不能支護(hù)太晚，造成圍巖坍塌.對(duì)于應(yīng)力值較高的深埋隧道，施工過(guò)程T時(shí)刻的荷載釋放比例應(yīng)根據(jù)圍巖松動(dòng)壓力理論公式[21]及現(xiàn)場(chǎng)T時(shí)刻的監(jiān)測(cè)應(yīng)力值共同確定[22].

圖8 洞周位移隨開(kāi)挖后荷載釋放比例變化趨勢(shì)圖

4 不同水平應(yīng)力下圍巖位移特征

對(duì)不同水平構(gòu)造地應(yīng)力下軟巖隧道的拱頂沉降及水平收斂變形展開(kāi)研究.開(kāi)挖工法采用CRD法.水平構(gòu)造地應(yīng)力的改變通過(guò)改變側(cè)壓力系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，側(cè)壓力系數(shù)分別取0.5、0.8、1.2、1.5、2.由圖9(a)所示，當(dāng)K為0.5時(shí)，在第42個(gè)施工步到第44個(gè)施工步拱腰水平位移有從向內(nèi)收斂迅速向外擴(kuò)張的趨勢(shì)，是因?yàn)榇藭r(shí)目標(biāo)斷面開(kāi)挖完全斷面成環(huán)后，需要拆除中隔壁和臨時(shí)仰拱，圍巖荷載釋放增大，由于水平地應(yīng)力僅為垂直地應(yīng)力的一半，在失去了臨時(shí)支撐對(duì)變形抑制和應(yīng)力承載作用時(shí)，隧道圍巖水平應(yīng)力不足以抵抗垂直地應(yīng)力作用下隧道向下沉降變形的趨勢(shì)，洞身側(cè)壁將在水平方向發(fā)生回彈變形，圍巖主要以下沉變形為主，施工時(shí)在斷面變形穩(wěn)定后應(yīng)分批拆除臨時(shí)支撐，防止圍巖變形速度過(guò)快.當(dāng)K為0.8、1.2、1.5、2時(shí)，拱腰在水平應(yīng)力作用下向內(nèi)收斂，在斷面開(kāi)挖完畢后收斂速度最快，且收斂位移量隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加不斷增大.

圖9 洞周局部位移隨側(cè)壓力變化趨勢(shì)圖

洞周拱頂沉降隨側(cè)壓力系數(shù)的增加整體呈增大趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)僅發(fā)生在洞周拱頂局部范圍內(nèi)，由圖10可知，拱頂垂直方向上遠(yuǎn)離洞室圍巖區(qū)域的豎向沉降隨水平地應(yīng)力的增大不斷減少，而拱肩兩側(cè)以上圍巖區(qū)域豎向沉降隨水平地應(yīng)力增大而不斷增大，這是由于水平向應(yīng)力不斷擠壓圍巖土體，在隧道開(kāi)挖面頂端產(chǎn)生土拱效應(yīng).隧道開(kāi)挖后由于應(yīng)力釋放，在土拱底部發(fā)生擠壓變形，隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加，擠壓變形也越來(lái)越大，拱頂范圍內(nèi)圍巖局部發(fā)生松弛，此位置處豎向沉降量也隨之增大；而在拱頂遠(yuǎn)離開(kāi)挖面位置處，由于受開(kāi)挖擾動(dòng)較小，且豎向變形是水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力共同作用的結(jié)果，水平應(yīng)力向內(nèi)擠壓不斷抵抗巖體向下豎向變形的趨勢(shì)，其沉降量將隨水平地應(yīng)力的增加不斷減小，而圍巖兩側(cè)豎向沉降量則隨水平地應(yīng)力的增加不斷增大，當(dāng)水平地應(yīng)力為垂直地應(yīng)力的兩倍時(shí)，在拱頂以上區(qū)域圍巖擠壓隆起.

圖10 巖體沉降量隨側(cè)壓力系數(shù)變化趨勢(shì)

5 結(jié)論

(1)針對(duì)不同的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)下的圍巖，提出四種開(kāi)挖工法，對(duì)其洞周沉降變形及圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)變化展開(kāi)規(guī)律性研究.研究結(jié)果表明：當(dāng)圍巖地質(zhì)強(qiáng)度較弱時(shí)，采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法和CRD法能夠有效地控制圍巖開(kāi)挖時(shí)洞周變形，拱腳收斂位移約為其他工法開(kāi)挖時(shí)拱腳位移的2%～3%，墻腰水平收斂位移約為后者的9%～14%，拱頂沉降也有下降的趨勢(shì)；

(2)無(wú)論采用哪種工法，拱腳位置都是壓應(yīng)力值較大處，三臺(tái)階法施工在拱腳處最容易發(fā)生圍巖流變現(xiàn)象；CRD法對(duì)拱腰應(yīng)力控制效果最好，而在拱頂臨時(shí)支撐處產(chǎn)生應(yīng)力集中；三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法在拱腰位置處應(yīng)力值較大，但其對(duì)拱腳應(yīng)力的控制效果最優(yōu)；

(3)隨著開(kāi)挖階段荷載釋放比例的增大，洞周?chē)鷰r變形整體呈增大趨勢(shì)，開(kāi)挖后釋放20%～30%時(shí)，拱頂沉降緩慢增加，拱腰、拱腳收斂變形平穩(wěn)，工程中合理支護(hù)時(shí)間段應(yīng)在開(kāi)挖后荷載釋放10%～30%內(nèi)；

(4)當(dāng)K為0.8、1.2、1.5、2時(shí)，拱腰在水平應(yīng)力作用下向內(nèi)收斂，且收斂位移量隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加不斷增大；當(dāng)K為0.5時(shí)，拱腰水平位移由從向內(nèi)收斂迅速向外擴(kuò)張.隧道拱頂局部范圍內(nèi)由于水平應(yīng)力的擠壓，拱頂沉降隨側(cè)壓力系數(shù)共同增大，而拱頂上方遠(yuǎn)離隧洞的圍巖豎向沉降隨水平地應(yīng)力的增大不斷減少；

(5)針對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道變形規(guī)律的研究采用數(shù)值模擬的方法且圍巖參數(shù)、地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)與實(shí)際情況有所偏差，為更準(zhǔn)確地探究不同條件下的巖體變形機(jī)制，應(yīng)進(jìn)一步根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，并與理論研究相結(jié)合，為深埋軟巖隧道施工提供技術(shù)參考.