第三系富水半成岩砂岩隧道施工力学行为研究

第三系富水半成岩砂岩隧道施工力学行为研究

冯柴微

(中铁隧道局集团建设 有限公司 云南临沧 677008 )

摘要：依托第三系富水半成岩砂岩地层的王家寨隧道，利用计算机仿真技术，研究隧道开挖支护的力学行为。结果表明：（1）二衬未施作时隧道开挖拱顶沉降达44.5 cm，施作二衬时拱顶沉降仅7.7 cm，表明较强二衬在砂岩地层中可有效限制围岩沉降。（2）衬砌拱顶的平均有效应力与拱腰、边墙衬砌应力方向相反，会对衬砌产生不利影响。（3）衬砌的竖向变形和平均有效应力值均较小，较强二衬在此地层中有良好的安全储备。

关键词：山岭隧道 富水地层 开挖支护 计算机仿真分析

1. 引言

在隧道建设过程中，常遇软弱富水围岩地质条件，尤其以第三系富水半成岩地层为典型代表^[1-3]。这类地层施工难度大、风险性高、灾害频发是这类地质的基本特征，这也是近年来隧道建设中出现的新的工程技术难题。

第三系半成岩多处于埋深较大的位置，若开挖洞室穿越第三系半成岩砂岩地层且处于地下水位线以下，将会使得隧道围岩基本处于松软状态，受施工机械设备扰动影响，砂岩极易随地下水突涌而出，进而发生塌方、大变形、冒顶等地质灾害。

2. 工程概况

王家寨隧道为云南省临清高速公路控制性工程，全长8010 m，为特长隧道。隧道围岩为第三系半成岩砂岩、半成岩泥岩等，岩质软；岩体破碎，胶结差，孔隙比大，饱水，围岩自稳能力极差，隧道洞内水系发育。隧道在开挖中对围岩的扰动，易引起隧道坍塌、冒顶及涌突水等重大地质灾害，施工难度极大。

3. 计算机仿真分析

采用Midas GTS NX进行隧道开挖仿真。模型长宽高分别为95 m×20 m×80 m（图1）。模型采用三台阶开挖，每次进尺0.5 m。隧道围岩视作弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb强度准则^[4-5]。隧道初支与二衬采用弹性模型、实体单元。隧道初期支护的钢拱架结构和衬砌内的钢筋结构（图2），全部折算为对应混凝土材料的强度。隧道初期支护采用的钢筋网，将其作为应力储备，计算时不予以考虑。锚杆和超前小导管于模型中直接建出，分别设定为植入式桁架单元和梁单元（图3）。管棚在模型中等效为板状实体单元结构。最后于空洞中回填混凝土与机制砂同样设定为实体单元（图2）。此外，考虑到管棚和小导管的物理力学参数在填充砂浆后有所改变，经换算后模型内单元的物理力学参数^[6]，如表1。

图1三维有限元网格 图2开挖区域与支护 图3 小导管超前支护

表1 模型参数

4. 隧道施工行为仿真分析

为了能够更直观地对岩溶塌方处治的效果进行讨论，主要针对模型在不同施工步骤下竖向位移和衬砌受力进行分析。

1. 1. 隧道开挖支护后围岩沉降

隧道开挖完成并施作初支后位移见图4。为了更好地分析的围岩位移，在距开挖起始断面起10 m的位置设置一个监测断面，用于监测在开挖过程中拱顶和隧底的位移变化。通过提取完成断面开挖后对应施工阶段监测断面的拱顶和隧底竖向位移值，如图5（横坐标表示施工阶段排序）。

图4隧道开挖支护位移（未施作二衬） 图5隧道拱顶和隧底位移

根据王家寨隧道开挖支护后围岩位移图知，围岩最大沉降位移发生在拱顶，位移达44.5 cm；左右拱肩位置沉降为37.5 cm，左右边墙位置沉降为23.9 cm。由于隧道横向开挖轮廓较大，且拱顶上作用水压力，王家寨隧道第三系半成岩砂岩地层软弱易沉降，因此在未施作二衬时隧道沉降极大。

王家寨隧道在无施作二衬时开挖后，其拱顶沉降值已远远超过《公路隧道施工技术规范JTGT 3660-2020》所建议的预留变形量数值（8cm~12cm），对隧道安全造成极大威胁。因此，王家寨隧道在未施作二衬下，仅靠初支，难以有效控制隧道沉降，初支可能因沉降超限而失效，这也从仿真角度侧面表明了王家寨隧道第三系半成岩地层自稳能力极差的特点。

1. 2. 隧道开挖支护后围岩应力

由图6知，未施作二衬时隧道围岩应力分布较均匀约为700 kPa~850 kPa，而这部分围岩应力最终会直接作用于二衬上，必将影响其应力分布。原因主要是未施二衬时，未限制围岩应力释放，当隧道开挖时，围岩松动，围岩压力直接作用于隧道周边，且随着沉降的不断增大，围岩松动圈逐渐扩大。表明对于第三系富水半成岩砂岩软弱地层隧道开挖后，应采用较强的支护和二衬。

图6 隧道开挖支护后围岩应力（未施作二衬）

1. 3. 隧道施作二衬后围岩沉降

如图7在施作二衬后，隧道围岩变形情况得到控制，隧道拱顶、拱肩、边墙沉降分别为7.7 cm、5.8 cm、4.0 cm，小于《公路隧道施工技术规范JTGT 3660-2020》所建议的预留变形量数值。因此较强的二衬对隧道沉降的有良好限制作用。这主要是由于二衬施作后在隧道环向上形成了一圈咬合拱的结构，在隧道三台阶开挖时，围岩不因开挖扰动而发生拱顶下沉过大。

图7施作二衬后围岩沉降 图8 二衬平均有效应力

1. 4. 二衬平均有效应力

在施作二次衬砌结构后，衬砌结构的平均有效应力，如图8。可见，衬砌内最大平均有效应力为49 kPa，且主要集中于边墙两侧；二次衬砌拱顶部分内部的平均有效应力为负值，而在没有发育空洞部位（如边墙，拱腰），平均有效应力为正值，拱顶区域的平均有效应力与周围结构方向相反。衬砌平均有效应力值均较小，较强二衬在此地层中有良好的安全储备.

5. 结论

结合第三系富水半成岩砂岩地层的王家寨隧道，利用计算机仿真技术，研究了隧道开挖支护的力学行为，结论如下：

（1）二衬未施作时隧道开挖拱顶沉降达44.5 cm，施作二衬时拱顶沉降仅7.7 cm，表明较强二衬在砂岩地层中可有效限制围岩沉降。（2）衬砌拱顶的平均有效应力与拱腰、边墙衬砌应力方向相反，会对衬砌产生不利影响。（3）衬砌的平均有效应力值均较小，较强二衬在此地层中有良好的安全储备。

参考文献

[1] 李超鹏. 隧道岩溶塌陷的超前地质预报研究及防治对策[D]. 湖南科技大学, 2016.

[2] 谷崇建. 岩溶区大断面隧道突泥突水的防治技术[J]. 工程建设与设计, 2017(01): 102-104.

[3] 赵先科, 张运亮. 岩溶隧道工程典型施工塌方病害防治措施[J]. 四川建材, 2017, 43(08): 48-49+67.

[4] 朱国保. 软弱破碎围岩隧道中管棚超前预支护技术研究[D]. 西南交通大学, 2007.

[5] 闵书. 隧道超前小导管注浆预加固数值分析[D]. 重庆大学, 2013.

[6] 赵明阶, 刘绪华等. 隧道顶部岩溶对围岩稳定影响的数值分析[J]. 岩土力学. 2003, 24(3): 445-449.

冯柴微（1992— ），2018年毕业于重庆大学（函授）道路与桥梁工程专业，现从事隧道桥梁技术管理工作。

3