公路隧道软弱围岩开挖变形特征_高帅.pdf

-66-高 帅，胡明香：公路隧道软弱围岩开挖变形特征公路隧道软弱围岩开挖变形特征高 帅1，胡明香2（1.江西省赣南公路勘察设计院有限公司，江西 赣州 341000；2.赣州水务股份有限公司，江西 赣州 341000）摘要：在软弱围岩特征及变形机制研究基础上，参考隧道围岩监控测量变形特征，通过公路隧道三维有限元数值模拟，分析了软弱围岩开挖变形分布规律，初步总结了软弱围岩变形特征。关键词：公路隧道；变形特征；有限元数值模拟；软弱围岩中图分类号：U459.2 文献标识码：B Deformation characteristics of weak surrounding rock excavation in highway tunnelGAO shuai1,HU Mingxiang2（1.Jiangxi Province Gannan Highway Survey and Design Institute Co.,Ltd.,Jiangxi Ganzhou 341000 China;2.Ganzhou Water Co.,Ltd.,Jiangxi Ganzhou 341000 China）Abstract:Based on the study of the characteristics and deformation mechanism of weak surrounding rock,referring to the deformation characteristics of tunnel surrounding rock monitoring and measurement,through three-dimensional finite element numerical simulation of highway tunnel,this paper analyzes the deformation distribution of weak surrounding rock excavation,and preliminarily summarizes the deformation characteristics of weak surrounding rock.Key words:highway tunnels;deformation characteristics;finite element numerical simulation;weak surrounding rock引言据统计，我国在建或筹建的隧道中有 40%以上存在软弱围岩变形问题，但是我国关于软弱围岩隧道变形问题的研究却相对滞后。关于软弱围岩隧道变形特征问题，国内学者开展了大量研究工作。李永林1详细阐述了围岩大变形基本条件和破坏机理，提出通过应变流线特征判定围岩大变形的发生。HOEK2提出通过岩体强度与地应力比值关系来分析软弱围岩挤压变形问题。何满潮和王树仁3研究了大变形力学数值方法的几何变形场理论，提出采用非线性大变形数值方法解决软岩大变形问题。李文江4采用数值模拟和典型工程现场试验方法，提出了软弱围岩隧道稳定性定义及其判别方法，建立了软弱围岩隧道变形控制技术体系。赵勇5基于软弱围岩隧道变形特点和尺度效应，总结了软弱围岩隧道变形的分布规律，提出了软弱围岩隧道变形控制的方法和支护结构设计原则。1 软弱围岩特征与隧道围岩变形机制1.1 软弱围岩特征软弱围岩一般是指岩质软弱、承载力低、节理裂隙发育、结构破碎的围岩。根据当前的公路隧道分级方法，对于、岩质围岩和、土质围岩一般均可看作是软弱围岩。软弱围岩的工程特征主要表现为岩石强度低、岩体结构面发育、对工程扰动反应灵敏和变形持续时间长等6，软弱围岩的变形则以塑性变形和蠕变变形为主，其变形特征主要有变形量大、变形速率快、变形持续时间长、围岩扰动影响范围大、径向变形特征明显和压力增长速度快等。1.2 软弱围岩变形机制软弱围岩的变形机制主要与软弱围岩类型及所处的地质环境有关，一般可以分为塑性挤出变形和膨胀挤出变形两种变形机制7。软弱围岩由于力学强度低、蠕变特性明显，在低应力条件下也可能产生持续性的变形。塑性挤出变形是隧道开挖引起的应力重分布超过了围岩的屈服强度而使围岩产生的塑性变形。膨胀挤出变形是含有膨胀性矿物的膨胀性软弱围岩，受到隧道开挖扰动、风化或水化等因素影响，围岩发生膨胀和软化而产生的围岩变形。收稿日期：2022-06-20作者简介：高帅（1989），男，江苏宿迁人，硕士研究生，工程师，研究方向为岩土工程勘察与设计。2022 年第 6 期山东交通科技-67-2 隧道围岩监控测量变形特征隧道开挖施工引起的围岩变形具有以下特征：（1）隧道开挖掌子面前方一定范围内（1 3 倍隧道宽度）会先行产生拱顶沉降和拱底隆起变形。（2）掌子面处拱顶发生初始沉降，初始沉降量约为最终沉降量的 20%30%。随着掌子面向前推进，原掌子面处拱顶沉降速度迅速增大，达到最终沉降量70%80%后变形速率逐渐减缓，并最终收敛，收敛距离一般为 2 3 倍隧道宽度。（3）根据掌子面所在位置，隧道围岩变形主要有掌子面前方先行变形、掌子面挤出变形和掌子面后方变形。图 1 为隧道围岩一般变形监测曲线。图 1 隧道围岩变形监测曲线3 隧道软弱围岩变形数值模拟3.1 工况与计算模型以公路隧道为工程背景，施工方法为台阶法，采用有限元分析软件 Plaxis，对 V 级围岩段单线公路隧道开挖过程中的软弱围岩变形进行数值模拟和分析。隧道埋深为 20 m，开挖高度为 9.5 m，开挖跨度为 10 m，采用三台阶法开挖，不考虑支护作用，围岩计算参数见表 1。表 1 围岩计算参数围岩级别密度/（kg m-3）弹性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/（）V2 2001000.4130253.2 计算结果与分析3.2.1 拱顶沉降变形拱顶沉降变形曲线见图 2。沿开挖方向隧道拱顶沉降变形曲线见图 2（a），其与图 1 隧道拱顶沉降变形监测曲线基本一致。（1）掌子面前方约 3 倍开挖跨度范围内先行发生拱顶沉降变形，掌子面处拱顶沉降变形量约为最终沉降量的 35%。（2）掌子面前后一倍隧道跨度范围内为拱顶沉降变形急剧增大区，该区沉降量可达最终沉降量的 80%。（3）拱顶沉降变形在掌子面后方急剧增大后变形速率逐渐减缓，并于约三倍隧道跨度处达到收敛。（4）根据掌子面位置，可将拱顶沉降变形沿隧道纵向依次划分为微小变形区、急剧变形区、缓慢变形区和稳定变形区四个区域。图 2（b）为不同开挖工况下隧道纵向拱顶沉降变形曲线。通过对比可以总结出结论：（1）掌子面上台阶开挖前，掌子面处拱顶已经发生先行沉降，先行沉降量约为隧道拱顶最终沉降量的 5%。（2）掌子面上台阶开挖后，掌子面处拱顶发生快速沉降，沉降量达到拱顶最终沉降量的 25%左右。（3）掌子面中台阶开挖后，掌子面处拱顶继续发生沉降，但沉降速度放缓并趋于收敛，此时沉降量达到拱顶最终沉降量的 35%左右。（4）掌子面下台阶开挖后，掌子面处拱顶沉降速度缓慢，沉降量小，拱顶已趋于稳定。（5）隧道上台阶开挖对拱顶沉降影响最大，中台阶开挖次之，下台阶开挖影响最小。（b）不同开挖工况隧道纵向拱顶沉降变形曲线（a）隧道纵向拱顶沉降变形曲线图 2 拱顶沉降变形曲线3.2.2 拱底隆起变形拱底隆起变形曲线见图 3。图 3（a）为沿开挖方向隧道拱底隆起变形曲线，其与图 1 隧道拱底隆起变形监测曲线基本一致。得到结论：（1）掌子面前方 1 2 倍隧道跨度范围内先行发生拱底隆起变形，掌子面处隆起变形量约为最终拱底隆起量的40%。（2）掌子面后方 1 倍隧道跨度范围为拱底隆起变形急剧增大区，该区隆起变形量可达最终隆起高 帅，胡明香：公路隧道软弱围岩开挖变形特征-68-变形量的 90%以上。（3）隧道拱底隆起变形速率快，在开挖掌子面后 1 2 倍隧道跨度处即可达到收敛状态。图 3（b）为不同开挖工况下隧道纵向拱底隆起变形曲线。掌子面上台阶开挖前，掌子面处拱底无隆起变形。随着掌子面上、中、下台阶的开挖，掌子面拱底发生连续隆起变形，隆起变形速率与台阶开挖厚度相关，掌子面处隆起量可达拱底最终隆起量的 40%。（b）不同开挖工况隧道纵向拱底隆起变形曲线（a）隧道纵向拱底隆起变形曲线 图 3 拱底隆起变形曲线3.2.3 掌子面挤出变形图 4（a）为不同开挖工况下隧道掌子面挤出变形曲线，图 4（b）为掌子面挤出变形云图。通过分析对比得到结论：（1）随着台阶开挖掌子面会产生挤出变形；（2）掌子面中心处挤出变形最大，从中心到四周依次减小；（3）开挖断面越大，掌子面挤出变形量越大。（a）掌子面挤出变形曲线（b）掌子面挤出变形云图图 4 掌子面挤出变形3.2.4 水平收敛变形收敛变形曲线见图 5。（b）隧道墙腰纵向收敛变形曲线（a）横剖面方向墙腰水平收敛变形曲线图 5 收敛变形曲线图 5（a）为隧道横剖面方向墙腰水平收敛变形曲线，可以发现隧道墙腰处等值线最密集，水平收敛变形量最大；隧道一侧横向水平收敛变形影响范围为 3 4 倍开挖跨度。图 5（b）为沿开挖方向隧道墙腰纵向水平收敛变形曲线，可以发现与拱底隆起变形相类似的规律：（1）掌子面前方 1 2倍隧道跨度范围内先行发生水平收敛变形，掌子面处水平收敛变形量约为最终收敛变形量的 30%。（2）掌子面后方 1 倍隧道跨度范围为水平收敛变形急剧增大区，该区水平收敛变形量可达最终水平收敛变形量的 90%以上。（3）水平收敛变形速率2022 年第 6 期山东交通科技-69-快，在开挖掌子面后 1 2 倍隧道跨度处即可达到稳定状态。4 隧道软弱围岩变形特征4.1 掌子面前方先行变形特征（1）掌子面前方先行变形主要有拱顶沉降变形、拱底隆起变形以及水平收敛变形。其中拱顶先行沉降变形区域为掌子面前 3 倍隧道跨度范围，拱底先行隆起变形和先行水平收敛变形区域为掌子面前 1 2 倍隧道跨度范围。（2）最大超前变形量发生在掌子面处，掌子面处拱顶沉降变形量可达最终沉降量的 35%、拱底隆起变形量可达最终隆起量的40%、水平收敛变形量可达最终收敛变形量的 30%。（3）掌子面前方 1 倍隧道跨度范围为软弱围岩先行变形的急剧变形区。4.2 掌子面挤出变形特征（1）对软弱围岩，掌子面挤出变形明显，且最大挤出变形发生在掌子面中心处。（2）掌子面挤出变形随着开挖断面的增大而增大。4.3 掌子面后方变形特征（1）掌子面后方变形主要有拱顶沉降变形、拱底隆起变形和水平收敛变形，掌子面后方一倍隧道跨度范围内为三者变形的急剧增大区，而后变形速率逐渐放缓，拱顶沉降变形于掌子面后方 3 倍隧道跨度处达到收敛，拱底隆起变形和水平收敛变形于掌子面后方 1 2 倍隧道跨度处即达到收敛。（2）隧道墙腰处水平收敛变形量最大，水平收敛变形在隧道横向一侧的影响范围为 3 4 倍开挖跨度。5 结语（1）软弱围岩变形根据掌子面所在位置，在空间上可分为掌子面前方先行变形、掌子面挤出变形和掌子面后方变形三个部分，根据变形大小和变形速率沿隧道纵向又可依次划分为微小变形区、急剧变形区、缓慢变形区和稳定变形区四个区域。（2）对于软弱围岩，掌子面前方围岩先行变形量可达最终变形量的 30%以上，如不加以控制很可能导致掌子面拱顶坍塌和围岩大变形的产生，因此对软弱围岩需进行超前预支护，且超前支护长度不宜小于 1倍隧道跨度。（3）软弱围岩隧道开挖掌子面挤出变形明显，且围岩越软弱、开挖断面越大挤出变形越显著。对于大断面软弱围岩隧道，施工过程中应采取预留核心土、掌子面超前预加固等措施控制掌子面挤出变形，确保掌子面的稳定。（4）软弱围岩变形在隧道横向一侧的影响范围为 3 4 倍开挖跨度，故对于分离式隧道，隧道间距不宜小于4倍开挖跨度。（5）隧道沉降、隆起、收敛和挤出变形之间相互影响，存在一定程度的依存关系，对其中一种变形的控制不当可能引起其它变形的快速发展。参考文献：1 李永林.二郎山隧道在高地应力条件下大变形破坏机理的研究及治理原则J.公路,2000（12）:4.2 HOEK,EVERT.Big tunnels