片理化玄武巖隧道大變形影響因素分析

崔光耀 陳秦瀧 王明勝 祁家所

（1.北方工業大學， 北京 100144；2.中鐵城市發展投資集團有限公司， 成都 610000）

隨著越來越多的隧道穿越高地應力區，圍巖大變形災害開始頻繁出現［1］，如青藏鐵路關角隧道［2］最大水平收斂超過500 mm，給現場施工帶來極大的困難；蘭渝鐵路木寨嶺隧道［3］施工中最大變形量達1 300 mm，變形速率超過680 mm／d，多次出現二襯開裂；麗香鐵路中義隧道最大累計變形超過500 mm，導致施工嚴重受阻。

目前，國內外學者對隧道大變形已經做了大量的分析和研究。在大變形影響因素方面，李磊［4］通過理論分析和數值模擬，發現高應力陡傾層狀軟巖小間距隧道大變形災害是圍巖產狀、構造應力、近接施工、圍巖強度等多重因素耦合的結果；楊會軍［5］對影響復雜條件下長大隧道圍巖變形的施工因素進行分析，認為施工對隧道的圍巖變形影響顯著，其中開挖初期影響最大；朱浩波［6］從支護時機、支護厚度、圍巖強度和埋深4個方面分析了圍巖的變化規律；王智超［7］通過數值模擬研究了錨噴厚度和開挖速度對軟弱圍巖的變形影響，結果表明錨噴厚度對圍巖水平收斂影響微弱，而開挖速度在短期內對圍巖變形影響明顯，對圍巖長期變形的影響較??；楊成忠［8］分析了隧道施工過程中圍巖變形規律，得出了不同圍巖等級、斷面尺寸和施工工法對隧道變形的影響。以上研究結果表明，隧道大變形是地應力、地層巖性、支護強度、地質構造和施工因素等條件綜合作用的結果［9-10］。

部分學者認為地應力、地層巖性、支護強度等條件是高地應力隧道大變形發生的主要原因，其中圍巖級別至關重要，支護強度次之［11-15］。為研究片理化玄武巖隧道大變形影響因素，本文采用FLAC3D數值模擬軟件對不同埋深、支護強度和圍巖級別條件下的圍巖變形進行對比分析。研究了片理化玄武巖隧道的變形規律。

1 工程背景

1.1 地質情況

該隧道屬于滇藏鐵路控制工程，全長14 745 m，最大埋深為1 250 m，跨越1條斷裂帶，該斷裂帶受我國南北向地震帶影響較大，構造運動強烈。隧道圍巖主要為片理化玄武巖，結構面呈張開狀，圍巖強度低。通過鉛直孔水壓致裂法測得隧道最大水平主應力最大值為28.16 MPa，最大水平主應力最小值9.35 MPa，屬于高地應力區。

1.2 原隧道支護

該隧道的開挖工法為雙臺階法，隧道斷面為邊墻小曲率的A型襯砌斷面，初支采用厚22 cm的C25噴射混凝土，鋼拱架為間隔0.8 m的I18型工字鋼；二襯為厚度為45 cm的C35混凝土。

2 研究概況

2.1 大變形影響因素

該隧道施工過程中，部分區段大變形災害嚴重，通過調查研究確定影響大變形的主要因素有：

（1）埋深大

隧道工程平導段平均埋深780 m，最大埋深1 050 m。該段實測地應力側壓系數平均為1.74，最大水平地應力平均為23.45 MPa。

（2）支護結構設計不合理

該隧道主洞室原設計為IV級錨噴I型支護，直墻圓拱洞形，鋼拱架強度較低，不能有效提高圍巖承載力，無法有效地控制圍巖擠壓性變形。

（3）圍巖破碎

隧道圍巖巖性以玄武巖（片理化）為主，節理、裂隙發育。結構面填充物以綠泥石、蒙脫石為主，綠泥石遇水軟化嚴重。圍巖裂隙水較發育，圍巖強度應力比小于0.12。

由以上分析可知，該隧道圍巖大變形的影響因素主要是埋深、支護強度和圍巖級別。本文借助FLAC3D分別研究不同埋深、支護強度和圍巖級別對大變形的影響效果。

2.2 建立模型

采用數值軟件FLAC3D建立計算模型，模型寬為隧道洞徑的7倍，約50 m，縱向深度為12 m，模型高50 m（實際隧道埋深較大，以施加地應力模擬實際埋深）。模型邊界條件為：四周設置法向約束，底面設置全約束，頂面無約束。模型中圍巖采摩爾 - 庫倫準則，網格單元采用彈塑性材料，初支和二襯的網格單元采用粘彈性材料。隧道開挖支護過程采用蠕變cpow模型進行計算分析。計算模型如圖1所示。

圖1 隧道模型圖

2.3 研究分組及計算參數

2.3.1 地應力影響分析

該隧道埋深在600～1 000 m之間，分別對埋深600 m、800 m、1 000 m的隧道的圍巖變形和塑性區分布進行比較分析。方案分組及各方案地應力狀態如表1所示。

表1 不同埋深下地應力狀態表

隧道圍巖為片理化玄武巖，初支為C25噴射混凝土+鋼拱架，混凝土厚度為22 cm，鋼拱架為I18型工字鋼；二襯為C35混凝土，厚度為45 cm，具體參數如表2所示。

表2 模型計算參數表

2.3.2 支護強度影響分析

根據原隧道支護設計，對3種不同的支護強度進行研究，分析研究支護強度對隧道大變形的影響規律，分組如表3所示，計算參數如表4所示。

表3 各方案支護參數表

表4 各支護方案計算參數表

2.3.3 圍巖級別影響分析

該段隧道圍巖主要為片理化玄武巖，巖性軟弱，物理力學性能極差，且裂隙水較為發育，屬于Ⅴ級圍巖。為研究不同圍巖級別下軟巖隧道變形規律，將該軟巖隧道圍巖取為Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖以及Ⅴ級圍巖（片理化玄武巖），研究分組及計算參數如表5所示。

表5 研究分組及圍巖計算參數表

2.4 監測布置

監測面設置在隧道中間部位，因隧道采用雙臺階法開挖，故在上、下臺階設置收斂測線，上臺階設置拱頂沉降測點，測點分布如圖2所示。

圖2 測點分布圖

3 數值模擬結果分析

3.1 地應力影響分析

3.1.1 圍巖變形分析

提取拱頂沉降、上臺階收斂和下臺階收斂數據，繪制隧道變形量與埋深的關系特征曲線，如圖3所示。

圖3 不同埋深的圍巖變形特征曲線圖

由圖3可知，隧道各部位圍巖變形量隨隧道埋深增加而增大，基本呈線性上升。方案B拱頂沉降量為8.36 mm，較方案A增大59.85%；方案C拱頂沉降量為13.16 mm，較方案2增大57.41%；方案B上臺階水平收斂量為18.24 mm，下臺階水平收斂量為30.14 mm，較方案A分別增大38.71%和24.96%；方案C上臺階水平收斂量為25.23 mm，下臺階水平收斂量為37.10 mm，較方案2分別增大39.97%和23.10%。

3.1.2 圍巖塑性區分析

提取各組方案開挖支護完成后的塑性區范圍分布，如圖4所示。

圖4 不同埋深的塑性區分布圖

由圖4可知，支護完成后，圍巖塑性區出現在隧道附近，且圍巖塑性區范圍與隧道地應力狀態呈正相關；圍巖塑性區分布范圍隨著地應力不斷增加而持續擴增；圍巖塑性區主要增大部位為隧道仰拱及邊墻處，方案C圍巖塑性區范圍最大；當隧道埋深較大時，隧道主要破壞形式為剪切破壞。

綜上所述，地應力是軟巖隧道變形影響的主要因素，隧道洞周圍巖變形量隨著隧道所受地應力增大而增大，且圍巖變形量增大幅度基本相同；圍巖塑性區分布范圍隨著隧道埋深的增大而擴大。

3.2 支護強度影響分析

3.2.1 圍巖變形分析

提取拱頂沉降、上臺階收斂和下臺階收斂數據，繪制監測變形量與支護強度的關系特征曲線，如圖5所示。

圖5 不同支護強度的圍巖變形特征曲線圖

由圖5可知，監測點變形量隨支護強度增強而減小。方案B拱頂沉降量為8.06 mm，與方案A相比減小20.67%，上臺階水平收斂量為18.23 mm，與方案A相比減小15.01%，下臺階水平收斂量為34.24 mm，與方案A相比減小14.08%；方案C拱頂沉降量為6.56 mm，與方案B相比減小18.61%，上臺階水平收斂量為14.41 mm，與方案B相比減小20.95%，下臺階水平收斂量為31.61 mm，與方案B相比減小7.68%；隧道洞周各部位圍巖變形量隨著隧道支護強度的增強而出現不同程度減小，上、下臺階水平收斂量顯著下降。

3.2.2 圍巖塑性區分析

提取各組方案開挖支護完成后的塑性區分布，如圖6所示。

圖6 不同支護強度的塑性區分布圖

由圖6可知，隧道洞周均出現了不同大小的塑性變形區域，方案3塑性分布區最小。圍巖塑性區范圍與支護強度呈負相關，圍巖塑性區范圍內剪切破壞的破壞范圍隨隧道支護強度增強而減小，且剪切破壞范圍逐漸向隧道靠近，圍巖塑性區輪廓隨支護強度增強而逐漸不均勻，圍巖塑性區減小部位主要集中在邊墻以及拱肩處。

綜上所述，軟巖變形受支護強度影響尤為明顯，隧道洞周各部位圍巖變形量隨著隧道支護強度的增強而以一定幅度減小，圍巖塑性區分布范圍隨著隧道支護強度加強而縮小。

3.3 圍巖級別影響分析

3.3.1 圍巖變形分析

提取拱頂沉降、上臺階收斂和下臺階收斂數據并繪制關系特征曲線，如圖7所示。

圖7 不同圍巖級別的圍巖變形特征曲線圖

由圖7可知，圍巖變形量受圍巖級別影響較大，圍巖各部位變形量隨著圍巖級別的提高而明顯提升；圍巖級別為Ⅴ級圍巖時，變形量提升最明顯；相較于方案A，方案B拱頂沉降量、上臺階水平收斂量和下臺階水平收斂量依次增大371.62%、199.54%和139.34%；相較于方案B，方案C拱頂沉降量、上臺階水平收斂量和下臺階水平收斂量依次增大191.12%、286.61%和299.89%；當隧道所處圍巖級別提高時，隧道洞周各部位圍巖變形量不斷增大。

3.3.2 圍巖塑性區分析

提取各組方案開挖支護完成后的塑性區范圍分布，如圖8所示。

圖8 不同圍巖級別的塑性區分布圖

由圖8可知，隧道支護完成后洞周均出現了塑性變形區域。襯砌各部位圍巖塑性區范圍隨圍巖級別增大而擴大，圍巖塑性區主要增大部位為隧道仰拱及邊墻處；圍巖塑性區范圍內剪切破壞的破壞范圍隨之擴大；方案C圍巖塑性區范圍最大；隨著圍巖級別增大，圍巖塑性區輪廓逐漸均勻。

綜上所述，圍巖級別對隧道洞周圍巖變形量的影響十分明顯，隧道洞周各部位圍巖變形量隨圍巖級別增加而增大。圍巖塑性區分布范圍具有伴隨圍巖級別提升而擴大的特征。

4 結論

本文依托某隧道片理化玄武巖段，通過數值模擬分別對不同埋深、支護強度和圍巖級別下的圍巖變形進行分析，得出以下主要結論：

（1）在該片理化玄武巖隧道施工過程中，由于圍巖軟弱、地應力高、支護結構設計不合理，隧道支護過程中沿洞周出現了塑性區；沿圍巖深度方向，塑性區不斷將應力向彈性區轉移；沿洞內方向，塑性區不斷變形以降低所承受的應力，圍巖產生較大的變形。

（2）從地應力方面來看，當地應力增大時，洞周圍巖變形量提升明顯，基本呈線性增加；圍巖塑性區分布范圍伴隨地應力增大而擴大，圍巖塑性區主要增大部位為隧道仰拱及邊墻處。

（3）從支護強度方面來看，隧道洞周圍巖變形量隨著圍巖支護強度的增強而減??；圍巖塑性區分布范圍伴隨支護強度加強而縮小，圍巖塑性區減小部位主要集中在邊墻以及拱肩處。

（4）從圍巖級別方面來看，圍巖變形量受圍巖級別影響較大，圍巖各部位變形量隨著圍巖級別的提高而明顯提升，圍巖塑性區分布范圍伴隨圍巖級別提高而擴大。