软弱围岩隧道变形特性分析

软弱围岩隧道变形特性分析

杨璐

江西省高速公路投资集团有限责任公司江西宜春336000

摘要：根据软弱围岩现场监测情况，对软弱围岩隧道变形特性进行了分析。利用三维有限差分，对深埋隧道围岩变化的时空效应变化情况进行了计算研究。软弱围岩隧道变化特性主要变现为：隧道软弱围岩变形除具有一般的隧道围岩变形相同特性外，还有初期变形速率大、变形持续时间长，围岩破坏范围更大，隧道时空效应变形较大；地表沉降变化距开挖面距离成曲线变化等特性，对指导施工具有很好的借鉴意义。

关键词：隧道变形；软弱围岩；变形特性；有限差分

一、引言

在我国随着土木工程的飞速发展，预计自21世纪至中期将是我国大规模建设地下工程的年代。在大量的工程实践过程中，软弱围岩大变形是我们经常遇见的问题，造成了隧道界面侵限、初期支护破裂、坍塌等大变形灾害。在软弱围岩隧道施工过程中大变形问题尤为突出。引起隧道大变形主要有两方面原因：其一，具有遇水发生膨胀效应的矿物成分，矿物质发生膨胀效应导致隧道的周边产生大变形；其二，受高地应力作用软弱围岩将会发生挤压性变形效应，由于岩石的强度较低在复杂应力作用下，在开挖隧道后，周边将会发生大范围的塑性破坏，塑性区内的岩体发生挤压、剪切作用，导致围岩中的质点向开挖区域移动而产生大变形。

在软弱围岩中开挖隧道，隧道洞周边围岩的变形具有一定的时间效应，在初期支护和二次衬砌结构施作完成后，围岩的变形也不能立即稳定，其变形将会随时间的推移而发展，最终缓缓趋于稳定。同时，随着隧道开挖使围岩应力得到初步释放，致使隧道围岩的变形同时具有空间效应。关宝树[1]、何满潮[2]、房倩[3]、刘建友[4]、孙峰[5]、徐卫亚[6]、孙元春[7]、张祉道[8]等学者针对软弱围岩地下工程的力学特性利用理论解析、数值模拟、现场监测等方法进行了研究。由于隧道工程特点和地质环境的复杂性，这些研究成果在工程建设中一直没有得到很好地应用。

二、隧道围岩的变形特性

隧道开挖造成的围岩变形受多重因素的影响，它是一种缓慢演变的过程。隧道围岩变形相关因素包含有岩石特性、地下水状态、隧道断面尺寸形状、开挖工法、支护措施和支护施作时机等。其中地质因素和工程活动因素具有不确定性，所以在工程建设中很难对隧道围岩变形进行精确计算；然而从统计意义上而言，隧道围岩变形在时空分布上，仍然具有一定的规律性和可预测性。

根据隧道围岩变形的发生机制，围岩变形可分为两种：结构变形和材料变形。其中，结构变形可以根据岩层地质特征和力学特征分为结构面的张开或闭合变形；材料变形则可以根据力学性质分为黏性变形、弹性变形和塑性变形[9-10]。根据隧道围岩变形的时空效应，围岩变形又可分为掌子面超前、掌子面挤出和掌子面后方变形三种形态。

隧道开挖使围岩原有的平衡状态发生变化，由此将会引起隧道掌子面周围的围岩变形。根据隧道纵向变化的特点把隧道变形分成三个阶段[11]：（1）掌子面前方的超前变形阶段，(2)掌子面后方变形急剧增大

段阶段，(3)变形稳定阶。在一般围岩状况下，掌子面处的超前变形量占总变形量的25%左右[12]；围岩状况越差掌子面前方超前变形量越大，但是超前变形量所占总变形量的比值越小。虽然隧道工程中的常规变形监测不能够完全反映隧道围岩的总变形量，但是可以通过监测到的变形量和变形速率对隧道围岩的稳定状况进行评判，进一步选择合理的时机施作初期支护和二次衬砌。

现场监测结果与分析

图1我国某隧道拱顶沉降的监测结果

我国学者对某隧道掌子面拱顶上方沉降进行监测，其沿隧道纵向水平设置长约50m监测管的方法，以此得到隧道拱顶沉降的空间分布特征[13]，如图１所示。我国学者采用现场监测方法，得到某隧道三台阶开挖法施工引起的地表沉降时程曲线变化[14]，如图２所示。由图１和图２分析可得：隧道开挖掌子面至监测断面前，拱顶和地表都具有一定的变形，其变形量占最终变形量的20%左右，其掌子面处的监测断面变形速率最大，掌子面后方围岩的变形将缓慢趋于稳定。

图2我国某隧道引起的地表沉降的监测结果

三、数值模拟结果与分析

利用三维有限差分软件以某高速铁路隧道三台阶开挖法施工为例，其开挖跨度Ｄ=14.8ｍ，开挖高度Ｈ＝12.5m，以此进行模拟分析隧道围岩变形的特征。围岩条件取V级围岩，计算参数和模型网格如图3所示；模拟计算采用三台阶开挖至三维模型沿隧道纵向的中间截面（开挖进尺2.5m），忽略支护结构对围岩变形的抑制作用，以此尽可能地真实反映出隧道施工所造成的围岩变形特性。

三维模型的位移边界条件：四周采用自由边界；隧道埋深：200m，围岩重度：20kN·m-3，因此应力边界统一取4Mpa，且不考虑围岩自重对该隧道计算模型的影响。隧道模型参数如表1.

图5掌子面挤出变形曲线

四、结论

（1）由隧道围岩变形发生的机制进行划分，可将其分为两种变形：材料变形和结构变形；由隧道围岩变形的时空效应进行划分，可将其分为三种变形：掌子面超前变形、掌子面挤出变形和掌子面后方变形。

（2）隧道软弱围岩变形和一般的隧道围岩变形相同特性之处外，还有以下主要特征：初期变形速率大、变形持续时间长，围岩破坏范围更大，隧道时空效应变形较大；地表沉降变化随距开挖面距离成曲线变化。

（3）三台阶开挖过程中，拱顶沉降和水平收敛初始阶段变化速率和变化幅度均较大、持续时间长；初期支护完成后，拱顶沉降和水平收敛速率依然会持续变化，达不到稳定状态，至此需及时施作二次衬砌，由二衬结构分担部分围岩荷载，防止初期支护变形过大造成侵限危害。

参考文献：

[1]关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京:人民交通出版社，2011.

[2]何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学[M].北京:科学出版社，2002.

[3]房倩，粟威，张顶立.基于现场监测数据的隧道围岩变形特性研究[J].岩石力学与工程学报，2016，35(9):1884-1897.

[4]刘建友，赵勇，李鹏飞.隧道围岩变形的尺寸效应研究[J].岩土力学，2013，34(8):2165-2173.

[5]孙峰.深埋软岩隧道管片综合受力分析[J].土工基础，2017，31(2):214-216，225.

[6]徐卫亚，杨圣奇，谢守益.绿片岩三轴流变力学特性的研究胆模型分析[J].岩土力学，2005，26(5):693-698.

[7]孙元春.岩石隧道围岩变形时空效应分析[J].工程地质学报，2008，(2).

[8]张祉道.关于挤压性围岩隧道大变形的探讨和研究[J].现代隧道技术，2003，40(2):5-12.

[9]刘建友，赵勇，李鹏飞.隧道围岩变形机制及其本构关系研究[J].现代隧道技术，2012，49(6):54-61．

[10]刘建友，赵勇，李鹏飞.隧道围岩变形的尺寸效应研究[J]．岩土力学，2013，34(8)：2165-2173．

[11]肖林萍，李永树.大湾隧道监测数据的处理与分析[J].四川测绘，2008，31(3):113–115.

[12]刘学增，苏京伟，王晓形.NATM公路隧道围岩时间效应统计分析与变形稳定性评价指标[J].土木工程学报，2009，42(11):115–120.

[13]赵勇.隧道围岩动态变形规律及控制技术研究[J].北京交通大学学报，2010，34(4):1-5.

[14]章良兵.大跨矿山法隧道新型支护结构关键技术研究及工程应用[D].北京建筑大学，2017.作者简介：杨璐，（1988.8.28-），男，汉族，出生地：江西省萍乡市，研究方向：道路、桥梁及隧道。