邹 翀， 尤显明， 焦 雷， 黄明利， 肖祖通

(1. 中铁隧道勘测设计研究院， 河南 洛阳 471009； 2. 中铁隧道集团有限公司， 河南 洛阳 471009；3. 北京交通大学土木建筑工程学院， 北京 100044)

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

邹 翀1， 尤显明2， 焦 雷1， 黄明利3， 肖祖通3

(1. 中铁隧道勘测设计研究院， 河南 洛阳 471009； 2. 中铁隧道集团有限公司， 河南 洛阳 471009；3. 北京交通大学土木建筑工程学院， 北京 100044)

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题，以某隧道圆形扩挖段为背景，采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护，并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明：上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大，在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后，隧道变形趋于稳定；采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力，3层初期支护基本都是受压结构，拱腰和边墙处竖向应力最大，拱顶处水平应力最大；二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求，保证隧道结构安全。

高地应力； 软岩隧道； 圆形扩挖施工； 三台阶法

0 引言

我国西部地区处在板块交接地带，地质条件复杂，地应力高，在此处修建隧道难度大，且大变形问题突出，但多数情况下未找到有效的解决方法。主要原因是： 1)高地应力软岩隧道的变形量大，隧道边界侵限，施工处理困难； 2)现行设计规范对大变形问题未有专门规定，没有可行的设计施工方法，仅依靠经验应对。已建成的兰武、南昆铁路以及在建的成兰、兰渝等铁路隧道大多都不同程度地面临着围岩变形的困扰。

许多学者对高地应力软岩隧道围岩大变形问题进行了研究。文献[1]对围岩大变形类型和机制进行了划分;文献[2-3]通过采用合理的断面形状、预留变形量、多重支护等施工技术，在一定程度上控制了乌鞘岭隧道的大变形；文献[4-5]从围岩动态演化机制角度出发，对大变形隧道进行返修，并取得了一定成功；文献[6-7]认为可允许围岩适度变形，对围岩应力进行适度释放；文献[8-9]通过现场试验得出，合理的超前应力释放技术可有效减小围岩变形；文献[10]通过超前大钻孔和超前导洞应力控制方法的现场试验发现，2种方法虽然能对变形的控制起到一定作用，但就其可行性而言，还需继续研究和完善；文献[11-12]根据现场施工实际情况及理论分析，提出了有效、合理的支护措施；文献[13]通过现场试验，提出高地应力软岩大变形隧道施工时应采用放抗结合的方法。以上研究取得了一定成果，但对高地应力理论和高地应力软岩隧道大变形控制方法的研究仍不够完整和成熟。本文针对某高地应力软岩隧道施工时围岩及支护结构受力和变形进行研究，采用数值模拟和现场监测方法，分析围岩变形和支护结构受力情况，并给出合理的工程对策，以指导现场施工。

1 工程概况

1.1 地质概况

该隧道地质条件非常复杂，隧道洞身共发育有11处断裂，断裂段长4.5 km，最大断裂宽约1 km。软岩段占隧道总长的84.5%，极易发生大的围岩滑塌，施工难度大。

该隧道圆形断面扩挖段属于岭脊段，岭脊段地层岩性为二叠系薄层状炭质板岩，属于F14-1断层破碎带，埋深600 m。泥质、钙质结构，层厚1～4 cm，岩层倾角陡立，受地质构造影响严重，层间结合差，节理发育—极发育，岩层破碎—极破碎，未见基岩裂隙水，综合判定为Ⅴ级软岩。隧道地质纵断面情况如图1所示。

图1 圆形扩挖段地质纵断面图

采用水压致裂法测试隧址地应力，实测最大水平地应力σ1为27.16 MPa。试验测得板岩单轴饱和抗压强度Rc的平均值为13.35 MPa，强度应力比Rc/σ1=0.49，由GB /T 50218—2014《工程岩体分级标准》可知，该隧道处于极高地应力状态。

1.2 圆形扩挖段施工工艺及参数

圆形断面扩挖段采用三台阶法施工。上、中、下台阶高度分别为3.8、3.9、3.9 m，台阶长度分别为5、7、4 m。上、中、下台阶开挖进尺均为1榀钢架距离(0.7 m)，中、下台阶分左、右侧错开开挖。仰拱一次开挖长度为5 m。采用3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌支护，第1、2层初期支护均采用H175型钢，间距0.7 m/榀，喷混凝土厚度分别为33、25 cm，之间预留变形量40 cm。第3层初期支护和二次衬砌采用C35钢筋混凝土，厚度分别为40、70 cm，第2、3层初期支护之间预留变形量为25 cm。圆形扩挖断面尺寸及支护参数如图2所示。

图2 圆形扩挖断面及支护参数示意图(单位: cm)

Fig. 2 Sketch diagram of circular cross-section enlargement and supporting parameters (cm)

2 模型建立及参数选取

2.1 模型建立

根据圣维南原理和相关经验可知，隧道开挖影响范围约为洞径的3倍。采用FLAC3D软件模拟，建立结构-荷载模型，模型长100 m，宽70 m，高100 m。该隧道属于深埋隧道，将覆土换算成附加荷载，其等效地应力σz=γh=11.3 MPa(γ为上覆岩层的平均加权容重，取20 kN/m3；h为上覆岩层总厚度，取565 m)，水平应力按竖向地应力的1.8倍取值。采用Mohr-Coulomb模型，并考虑岩体的受拉屈服、弹塑性变形。利用set large 命令设置模型为大变形。开挖采用FLAC3D中的Null模型，复合支护中的初期支护采用Shell结构单元。

图3 圆形扩挖段纵向施工步序示意图(单位: m)

2.2 计算参数选取

围岩参数如表1所示。

表1 围岩参数

数值模拟中的初期支护为H175型钢+C30混凝土，采用等刚度加权平均的方法对初期支护的计算参数换算，等效支护密度ρ等效=(ρ钢×A钢+ρ混×A混)/A总，等效弹性模量E等效=(E钢×A钢+E混×A混)/A总，其中A表示型钢或混凝土的截面面积。换算得到初期支护计算参数如表2所示。

表2 初期支护参数

注浆在本质上是改变了围岩的参数，结合现场施工经验并参考文献[14-15]，本模拟注浆按提高围岩强度30%计算。

3 圆形断面扩挖施工现场监测和数值模拟结果分析

3.1 围岩变形分析

在给排水工程施工过程中经常会出现各种不同类型的问题，这会对给排水工程的质量造成不良影响，进而都会其应用性能产生影响，可见，在给排水工程施工中，做好像施工管理意义重大。

3.1.1 现场监测数据分析

选择DK181+150典型断面对围岩变形监测，监测结果如图4所示。可知： 上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大。仰拱施作完成后，变形速率有所减小。第3层初期支护完成后，支护刚度和强度增强，变形速率控制在1～3 mm/d，但约20 d后，变形速率有增大的趋势，说明第3层初期支护完成后，虽然变形得到一定程度的控制，但未最终收敛，因而仍要加强支护或及时施作二次衬砌。

图4 DK181+150断面变形曲线

3.1.2 数值模拟结果分析

分别取隧道顶部中点、上台阶收敛点和中台阶收敛点作为隧道位移关键点，分析竖向位移与水平位移，隧道拱顶沉降和上台阶、中台阶水平收敛变形曲线如图5所示。由图可知： 1)上台阶第1层初期支护完成后，拱顶沉降和上台阶水平收敛值较大，变形速率趋缓； 2)中台阶第1层初期支护完成后，中台阶水平收敛速率最大，拱顶沉降和上台阶水平收敛与上一阶段相比变形速率减小； 3)下台阶第1、2层初期支护完成后，拱顶沉降和上台阶水平收敛已经进入缓慢变形阶段，下台阶还有较大变形，但变化速率明显减小； 4)仰拱施作完成后，水平收敛速率已经很小，进入稳定阶段。因此，高应力软岩隧道圆形扩挖段的上、中台阶开挖阶段是影响隧道变形的主要阶段，施工时应注意及时支护，仰拱封闭及第3层初期支护施作完成后，隧道变形趋于稳定。

图5 隧道拱顶沉降与水平收敛曲线

3.1.3 数值模拟结果与监测数据对比

由于在开挖还未到达预设监测断面时，预设的监测点已产生了一定的位移，而在实际施工中监测断面未被开挖时是不可能对其进行监控的。因此，在进行监测数据和数值模拟结果对比分析时，将数值模拟中监测断面开挖前的位移归零，以便于分析和研究，对比结果如表3所示。可以看出： 第1层初期支护变形量占总变形量比例的模拟结果与监测结果非常接近。第2层初期支护的模拟结果比监测结果大。第3层初期支护的模拟结果比监测结果小，这是由于从监测开始至随后约60 d里，第3层初期支护的变形速率一直保持在1～2 mm/d，而在数值模拟中，随着仰拱封闭和第3层初期支护施作完成，隧道变形很快收敛，所以模拟计算的变形量较小。

表3 3层初期支护变形占洞周变形比例

Table 3 Proportions of 3 primary support structures in total deformation %

3.2 围岩应力随开挖支护进程的变化规律

(a) 水平应力

(b) 竖向应力

Fig. 6 Surrounding rock stresses vs. tunnel construction procedures

3.3 初期支护结构受力分析

3.3.1 支护结构受力监测数据分析

为了与模拟结果进行对比，将现场实测的初期支护钢架应力和混凝土应力按照应变协调变形条件下的等刚度原则换算为初期支护结构的应力，结果见表4和表5。可知： 第1、2层初期支护钢架受力很大，最大达到46.00 MPa，各测点数值(除第2层仰拱外)均已超过钢架屈服强度换算值(23.5 MPa)； 第3层初期支护钢筋混凝土受到的最大应力发生在右边墙内侧处，达到34.06 MPa，已超过C35混凝土的抗压极限强度。断面拱墙结构受力最大平均值为15.34 MPa，整体不是很大。因此，采用3层初期支护结构还是很有必要的。

表4 第1层和第2层初期支护结构受力

注： 拉应力为正、压应力为负，表中平均值为各监测点结构应力数值的平均值，下同。

表5 第3层初期支护结构受力

3.3.2 支护结构受力数值模拟分析

取隧道中间位置纵向1 m长的一段隧道进行研究，重点分析施作二次衬砌后，3层初期支护结构的水平应力和竖向应力，结果如图7—9所示。可知： 1)第1层初期支护结构受到的应力全为压应力。边墙与拱腰附近竖向应力最大，为27.5 MPa。拱顶部位水平应力最大，为37.7 MPa。2)第2层初期支护结构受到的应力也全为压应力。最大竖向应力依旧出现在边墙与拱腰附近，为23 MPa。拱顶部位水平应力最大，为25.6 MPa。3)第3层初期支护受到的应力基本为压应力。最大竖向应力也出现在边墙与拱腰附近，为17.1 MPa。拱顶部位水平应力最大，为24.3 MPa。拱顶部位出现拉应力，其值为6.9 MPa。边墙部位出现拉应力，其值为7.1 MPa。

(a) 水平应力

(b) 竖向应力

3.4 二次衬砌结构安全分析

由数值模拟计算得到二次衬砌不同特征部位的弯矩和轴力，计算出的偏心距均小于0.2h(h为二次衬砌厚度)，按抗压强度控制承载能力计算。二次衬砌结构的安全系数如表6所示。经计算，混凝土的抗压强度安全系数均大于TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》规定的混凝土结构强度安全系数(2.0)。

(a) 水平应力

(b) 竖向应力

(a) 水平应力

(b) 竖向应力

特征部位弯矩/(kN·m)轴力/kN偏心距/mm判断拉压控制衬砌安全系数规定安全系数拱顶15．616509．5抗压控制112．0拱腰5．421502．5抗压控制8．52．0边墙2．610902．4抗压控制16．72．0拱脚3．410103．4抗压控制182．0

4 结论与建议

1)高地应力软岩隧道圆形扩挖段采用三台阶法施工时，上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大，应注意及时支护。仰拱封闭及第3层初期支护施作完成后，隧道变形趋于稳定，应适时施作二次衬砌。

2)3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力。在隧道扩挖完成后，3层初期支护结构基本都处于受压状态，拱腰和边墙处竖向应力最大，拱顶处水平应力最大。

3)本文对高地应力软岩隧道圆形断面扩挖段施工阶段的支护结构受力和变形规律进行了研究，研究结果可为高地应力软岩隧道的施工提供参考。如有条件，建议进一步对运营阶段隧道支护结构的受力和变形进行监测，使研究结果更具有指导意义。

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Study of Mechanical Characteristics of Surrounding Rock and Supporting Structure of Enlarging Construction of Circular Soft Rock Tunnel with High Ground Stress

ZOU Chong1， YOU Xianming2， JIAO Lei1， HUANG Mingli3， XIAO Zutong3

(1.Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,Henan,China；2.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China；3.SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Large deformation often occurrs in soft rock tunnel with high ground stress during construction. Three-bench excavation method and composite support structure of 3 layers of primary support + grouting through small duct + secondary lining are used to control large deformation of a soft rock tunnel with high ground stress. The mechanical characteristics of surrounding rock deformation and supporting structure are studied by site monitoring，numerical simulation and theoretical calculation. The results show that: 1) The deformation speed of surrounding rock is large when excavating top heading and intermediate bench; the deformation of surrounding rock becomes stable after construction of invert arch closure and the third primary support. 2) The stress of surrounding rock can be improved effectively by 3 layers of primary support; and the primary support structures are under compressive stress; the maximum vertical stress occurs in haunches and sidewall and the maximum horizontal stress occurs in crown top. 3) The safety factor of secondary lining can meet the requirements of related specifications and guarantee the safety of tunnel.

high ground stress; soft rock tunnel; enlarging construction of circular tunnel; three-bench excavation method

2016-05-23;

2016-11-15

邹翀(1971—)，男，江西南昌人，1996年毕业于南昌航空大学，机械工程专业，本科，教授级高级工程师，现从事隧道与地下工程科研工作。E-mail： zouchong0356@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.005

U 45

A

1672-741X(2017)01-0030-07