软岩隧道开挖数值模拟分析

李 飞， 卢二岩

(1．山西省交通建设质量安全监督局，山西 太原 030006;2．河北省电力勘测设计研究院，河北 石家庄 050000)

采用ABAQUS 进行二维模拟，考虑在3 m 注浆止水圈下，隧道分别采用三台阶法时，研究围岩的应力特征分布、隧道洞壁位移变形规律、初支受力情况等规律。在整个模拟过程中，假设注浆止水圈是完全不透水的，外水压力全部作用于注浆止水圈上，即初支不承受外水压力。

1 工程概况

隧道所处地貌为中低山地貌。绝对高程186 ～476 m，相对高差最大290 m，自然坡度5° ～35°，地形起伏较大，冲沟发育，坡陡沟深，洞身所穿的山体植被不甚发育，坡面一般覆土较厚。地表水以沟水、溪水为主，降雨量丰富，沟中常年有水流，有大气降水补给，对混凝土无侵蚀性。地下水以孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水为主，在节理裂隙带或断层破碎带附近地下水量较大。可能会遇到股状涌水。隧道不良地质有顺层、岩溶及断层破碎带。

测区上覆第四系全新统坡残积层粉质粘土，下伏基岩为泥盆系上统榴江组、五指山组并层之页岩，硅质岩、灰岩;泥盆系中统信都组砂岩、泥质砂岩夹页岩。岩性分述如下:

(1)粉质粘土。褐红色、褐黄色。硬塑，黏性较好，土质不纯，含少量砂岩质碎石及角砾，进口端山坡覆土较厚，厚0 ～7 m，出口端山坡较薄，厚0 ～3 m，分布于隧道地表，属II 级普通土。

(2)硅质岩、页岩。深灰色、灰黑色，灰褐色，灰黄色，薄层状构造，泥质、硅质胶结，节理、裂隙较发育，页岩岩质软而破碎，硅质岩质坚、性脆，差异风化严重。据钻探揭示为全风化带，岩芯多已风化呈土状及土柱状，含少量强风化碎块及角砾，厚3 ～32 m，属III 级硬土。不可做填料。

(3)灰岩。灰白色，灰色夹深色，中～厚层状，隐晶质结构，质坚、性脆、致密、坚硬，钙质胶结，含少量方解石脉，节理、裂隙较发育，节理面见铁锈色，岩体较完整，局部较破碎。据钻探揭示，部分钻孔岩芯溶蚀较严重，弱风化，属V 级次坚石。可作B ～A 组填料。

(4)砂岩、泥质砂岩夹页岩。下部为灰白、浅灰、深灰、浅绿、红紫等杂色，中～厚层状粉砂岩、泥质粉砂岩、中厚层状细砂岩、薄～厚层状粉砂质页岩与页岩;中部为紫灰色、红紫色粉砂质页岩、页岩、粉砂岩及细粒砂岩等，以前三者居多，呈互层及夹层产出。该层上部夹赤铁矿(紫红色，具鲕状结构，一般稳定的为1 ～2 层，最多为7 层，单层厚一般0．3 ～4．5 m);上部为灰白色、浅灰色、灰绿色细砂岩夹粉砂质页岩及赤铁矿或含铁砂岩;顶部为灰色棕黄色页岩。本次钻探揭示岩体具软硬互层、存在差异风化特征，全风化岩芯呈土状，局部夹强风化岩块，属III 级硬土，C 组填料;强风化岩芯呈灰黄色、灰褐色碎块状，局部夹土状岩芯，属IV 级软石，C 组填料;弱风化呈紫红色、灰绿色，岩芯呈柱状，短柱状，少许块状，砂岩属V 级次坚石，泥质砂岩、页岩属IV 级软石。C-B 组填料。

2 隧道围岩及支护参数

围岩物理力学参数根据《铁路隧道设计规范》及工程勘察地质资料综合选取，支护参数根据规范选取，其中钢支撑采用等效原则来考虑，即提高喷射混凝土弹性模量来等效。具体参数详见表1。

表1 隧道围岩及支护参数

3 隧道数值模拟及分析

计算中岩体采用摩尔库伦屈服准则。模型尺寸为90 m(高)×80 m(宽)，其中拱顶以上44 m，而隧道最大埋深约为200 m，未按实际高度建立，故在模型顶部施加实际埋深的附加应力，本模型顶部施加应力为(200 - 44)×1 900 ×10 =296 400 Pa，根据地质勘查资料，地下水位高度在拱顶以上20 m 左右，模型两侧边界均设置为透水边界。顶部和底部为不透水边界。模型如图1 所示。

3．1 设置注浆堵水圈时力学行为解析

开挖过程围岩主应力变化的计算结果如图2 ～图5 所示。可以得出以下结论:

(1)应力场为对称分布。上台阶开挖支护后，拱顶部分未出现受拉区域，整个上半断面均为受压，拱顶至边墙部位受力较均匀，最大主应力值为1．11 MPa，拱脚部位出现应力集中，受力最大，最大压应力为6．33 MPa，而未开挖的中台阶和下台阶土体均为受压现象。

图2 上台阶支护完成后最大主应力分布

图3 中台阶支护完成后最大主应力分布

图4 下台阶支护完成后最大主应力分布

图5 开挖支护完后初支后最大主应力分布

(2)中台阶开挖支护后，最大压应力的位置仍在拱脚位置，最大压应力减小至4．81 MPa;整个计算区域依然没有出现拉应力。

(3)下台阶开挖支护后，整个计算区域的应力场趋于对称分布。且整个开挖断面的围岩均未出现受拉，仰拱及边墙受力均匀，最大主压应力为1．71 MPa 左右，在台阶开口线处即支护连接的地方仍然出现应力集中，施工时应及时施做锁脚锚杆，防止钢架出现弯曲，在开挖支护完成后，拱顶受力最大，最大主应力值为4．81 MPa，没有出现受拉区域。

3．2 初支变形分析

设置注浆圈时，初支变形图如图6 所示。设置注浆圈时，拱顶下沉为32 mm，收敛值为50 mm，由此可见，注浆堵水圈不仅能够有效阻挡地下水渗入，给施工带来方便，另外改善支护结构周围的围岩性质可以减小初支变形，承担部分围岩压力，减少初支受力。

4 结论

图6 初支变形图

通过数值模拟分析，得出隧道在设置3 m 注浆堵水圈时，初期支护受力安全可靠，且初支变形较小，能够保证隧道安全施工，因此在现场施工时，应该保证注浆堵水圈的施工质量，同时，施工期间加强监控量测工作。