初始水平地应力对高地应力隧道施工稳定性的影响

赖孝辉

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

高地应力一般指初始应力中的水平初始应力分量大于上覆围岩产生的自重应力分量的情况，且与岩体的荷载强度比有关[1]。当隧道埋深较大且位于构造运动频繁的区域时，会普遍出现高地应力现象。高地应力隧道开挖后，因受到挤压、卸荷等因素的综合作用，围岩常出现松动、开裂等现象，严重时则会导致岩爆或大变形等灾害[2]。

近年来，大量学者对高地应力硬岩隧道的力学机理和围岩稳定性展开了研究。吴文平[3]等通过现场试验和数值分析等方法，建立了全面且实用的深埋硬岩隧洞围岩破坏模式的分类方法，并在锦屏II级水电站地下隧洞得到了应用；李建兴[4]等利用能量理论，对米仓山隧道施工过程进行了数值模拟计算，探究了高地应力硬脆性裂隙围岩隧道的失稳及结构破坏机理，并提出了相应的解决措施；苏利军[5]等通过数值模拟对不同埋深条件下的围岩稳定性进行了分析，得到了不同埋深条件下硬岩围岩的变形分布等多种特性，并使成果在引大济湟工程中得到了应用；赵宇松[6]等基于相似理论，进行了双孔并行隧道的模型试验工作，并分别用Mohr-Coulomb和Plastic-Hardening两种本构模型进行了数值模拟，得出了Plastic-Hardening模型更能反映实际工程中岩土体状态的结论；陈景涛[7]等应用弹-脆-塑性本构模型，模拟了某水电站地下洞室群的开挖过程，对位移场、应力场和塑性区的演化过程进行了分析。

同时初始水平构造应力也是影响高地应力隧道围岩稳定性的重要因素[8]，针对该问题，本文选取我国西部山区某一具有高地应力特征的典型隧道，通过有限差分软件FLAC3D，研究高地应力硬岩隧道在施工期的受力与变形特征，并分析水平构造应力对隧道施工的影响。

1 工程概况

位于我国西部山区的某深埋特长越岭公路隧道，长13 459 m，最大埋深达到1 468.93 m，隧道沿线断层众多，构造作用强烈，隧址区内广泛分布以花岗岩与闪长岩为主的硬质岩浆岩，是典型的高地应力硬岩隧道。其纵断面图如图1所示。

图1 隧道纵断面

2 数值模拟

2.1 初始水平地应力的施加

根据该隧道现场水压致裂法地应力测量成果，测得水平主应力最大值为30 MPa，而地应力反演的结果显示，隧道轴线附近最大水平主应力可达50 MPa，据此可将应力值大小分为三个等级：20～30 MPa、30～40 MPa、40～50 MPa。故选取该隧道中埋深最大的断面，分别施加初始水平地应力20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa，利用有限差分软件FLAC3D采用相应的开挖工法和支护参数进行计算。

2.2 模型的建立

所建立模型如图2所示，模型尺寸为100 m×48 m×100 m(长×宽×高)。模型底面边界和前后左右五个边界均施加法向约束。围岩视作均质弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb准则。围岩、初期支护、二次衬砌、注浆加固圈采用实体单元进行模拟，锚杆采用Cable单元模拟。开挖采用上下台阶预留核心土法，开挖进尺为1 m，上下台阶的长度为5 m，预留的核心土长度为3 m。辅助工法采用锚杆支护，锚杆之间的纵向间距为0.8 m，环向间距为1 m。计算所涉及的围岩及支护结构物理力学参数见表1。

3 计算结果分析

3.1 围岩的变形特征

为研究围岩的变形特征，提取隧道的位移云图如图3所示，当隧道所受的初始水平应力较小时，最大位移出现在隧道的拱顶和仰拱处，随着初始水平应力的增加，隧道最大位移所在位置逐渐向拱腰处移动。当初始水平应力从20 MPa增加到30 MPa时，最大围岩变形量从36.49 mm减小到33.50 mm，减小了8.19 %。当初始水平地应力从40 MPa增加到50 MPa时，围岩的最大变形量从34.99 mm增加到45.97 mm，增长了31.38 %。说明随着水平应力的增加，拱顶处围岩的位移受到约束，而拱腰部位的位移逐渐增大，在此过程中隧道周边围岩的最大变形值呈先减小后增加的趋势。

(a)整体模型

表1 围岩及支护结构物理力学参数

(a)20MPa

3.2 围岩的应力特征

为了研究围岩应力随施工过程的变化特征，以计算模型的中间截面为目标断面，监测该断面拱顶、拱肩、拱腰和仰拱处的最小主应力数值随施工步的变化情况。并绘制如图4所示的主应力变化曲线。

(a)20MPa最小主应力随荷载步的变化

可以看出，在距目标断面开挖前4个荷载步，即距离目标断面8 m时，隧道的施工已经对监测断面位置的围岩应力产生了显著的影响。隧道上台阶开挖后，拱顶和拱肩处的压应力迅速减小，主应力大小显著增加。拱腰处的最小主应力有所降低，压应力向拱腰处的围岩转移。下台阶开挖后，高地应力隧道拱顶处围岩内部的压应力迅速增加，最小主应力显著降低；而拱腰处的压应力迅速降低，最小主应力显著增加。这说明水平地应力的分布在隧道拱腰处发生向拱顶处的偏转，在拱顶位置出现压应力集中。

初始水平地应力依次增加时，拱顶处的最小主应力分别为-40.9 MPa、-62.8 MPa、-82.6 MPa和-100 MPa，近似呈线性的增长。当初始水平应力为50 MPa时，拱顶处围岩内部的压应力接近岩体抗压强度的极限值。因此在高地应力硬岩隧道施工时要格外注意拱顶处的围岩状态，防止出现掉块、冒顶等灾害，必要时应采用锚杆和注浆等辅助工法从内部加固岩体提高围岩的承载能力。

3.3 围岩的塑性区特征

提取围岩的塑性区分布情况如图5所示。由图可知硬岩隧道开挖后产生的塑性区范围不大，这是硬岩围岩的弹性强度较高的缘故。且由于仰拱处承受由围岩自重引起的更大的竖向应力，而仰拱处隧道结构的起拱线较为平缓，其曲率半径较大，该结构形式不利于承受围岩压力，因此在隧道仰拱下方出现了范围更大的塑性区。

(a)20MPa

同时随着水平初始应力的增大，隧道周边围岩的塑性区范围也有所增加，且当水平初始应力为50 MPa时，拱肩处的围岩也产生了范围较大的塑性变形。从前文可知，隧道拱顶处岩体内部承受最大的压应力，但是拱顶处的围岩几乎没有产生塑性变形。这是因为在数值计算过程中，拱顶处的围岩采取了注浆加固的措施，使得该部分围岩的力学特性得到了提升。可以看出，采用注浆等措施从内部加固围岩可以显著提升围岩的稳定性，是保障施工安全的有效方法

3.4 二次衬砌内力特征

二次衬砌的内力也是反映隧道稳定性的重要因素。根据下式(1)及式(2)求出二次衬砌混凝土截面的轴力和弯矩，并绘制如图6所示的二次衬砌内力分布图。

(1)

(2)

式中：N和M分别为混凝土截面的轴力和弯矩；σ(x，y)为截面上正应力的分布；l(xc，yc)为某一积分区域合力点到中和轴的距离。

(a)二次衬砌轴力

由图6可知，二次衬砌内部轴力全部为压应力，轴力较大的位置主要集中在拱顶和拱肩位置，拱腰和拱底处的轴力较小。随着水平构造应力的增大，二次衬砌各点位置的轴力均不断增加。当初始水平应力为20 MPa时，拱顶处的轴力大小为1 231.9 kN，当初始水平应力增加至50 MPa时，拱顶处的轴力为3 403.8 kN，增加了176.3 %。

规定以二次衬砌内侧受拉为弯矩的正方向，正弯矩出现在二次衬砌的拱顶、拱底和边墙下部位置，而负弯矩则出现在拱肩、拱腰和拱脚处，由于拱脚处隧道二次衬砌的几何形状发生突变，负弯矩在拱脚处达到峰值。随着水平构造应力的增大，二次衬砌各点位置的正、负弯矩数值均有所增加，当水平构造应力从20 MPa增长为50 MPa时，拱顶处的最大正弯矩增长了6.53 %，拱脚处的最大负弯矩增长了12.9 %。

可以看出，穿越高地应力岩体隧道的轴力和弯矩数值均较大，安全系数较低。应当适当增加二次衬砌的厚度以确保隧道运营期的安全。

4 结论

本文通过建立三维模拟，对高地应力硬岩隧道开挖过程进行了模拟。研究了不同初始水平地应力对高地应力硬岩隧道开挖过程中围岩稳定性的影响，得到以下结论：

(1)当隧道所受水平应力从20 MPa依次增加至50 MPa时，隧道最大位移所在位置逐渐从拱顶、拱底向拱腰处移动，且隧道最大位移随着水平初始应力的增加，呈先减小后增大的趋势。

(2)隧道施工会对开挖面后方8 m范围内的围岩应力产 生显著影响。隧道上台阶开挖后，拱顶和拱肩处的最小主应力会显著增加，拱腰处的最小主应力有所降低，压应力向拱腰处的围岩转移。当隧道所受初始水平地应力依次增加时，拱顶处的最小主应力近似呈线性增长。

(3)高地应力硬岩隧道开挖引起的塑性区范围不大，主要集中在隧道周边及仰拱下方。随着隧道所受初始水平应力的增加，塑性区范围也有所增加，在拱肩处更为明显。且注浆等措施可以从内部加固围岩，有效控制塑性区的产生。

(4)在高地应力条件下，二次衬砌所受弯矩和轴力值均较大。二衬所受轴力均为压力，并在拱顶和拱肩出现显著大于其他部位的轴力值。轴力值还会随着隧道所受水平应力的增加而显著增加。二次衬砌拱顶、拱底和边墙下部受正弯矩，其余部位受负弯矩，且弯矩和轴力值的大小均会随隧道所受初始水平应力的增加而有所增大。