软岩地区双隧道开挖的应力应变特征及动力响应研究

燕永平

(中铁十六局集团路桥工程有限公司 北京 101500)

1 引言

近几十年来，国内外的基建建设中隧道工程占据了大量的工程建设比重，国内外的诸多学者也对隧道进行了大量的研究[1－2]。例如:周鑫等[3]以杭州地铁3号线工大站～留和站盾构区间双线施工为依托，运用三维有限元软件模拟盾构开挖施工的全过程，研究开挖过程对地层沉降及邻近桥梁桩基影响规律。鲍先凯等[4]通过对贵阳地铁1号线望新区间隧道开挖稳定性的关键因素分析及施工方法的数值模拟，结合现场实测，研究了回填土大跨超浅埋地铁隧道开挖稳定性。刘淑红等[5]为研究深埋非圆形隧道开挖引起围岩的弹性和黏弹性变形解析解，首先通过复变函数的方法，得到了围岩中位移的弹性解；之后，根据弹性－黏弹性对应原理，采用Burgers黏弹性模型，通过拉普拉斯变换和拉普拉斯逆变换，得到围岩位移的黏弹性解。李岩松等[6]以省道205线老龙山隧道为工程背景，在考虑围岩产状影响的条件下利用萨道夫斯基爆破经验公式对老龙山隧道附近既有建筑的爆破影响进行了分析研究。付晓强等[7]针对爆破信号干扰项消除难题，选取典型地铁隧道工程监测到的畸变爆破信号为分析对象，采用稀疏化基线估计与去噪算法实现了噪声和趋势项成分的提取，得到反映真实爆破信息的校正信号。吴鹏[8]以锚塞体－围岩复合体的极限抗拔力学模型为基础，以极限平衡法为核心对悬索桥隧道锚楔形塞体的极限抗拔承载力进行了分析。曾志平等[9]采用有限元软件建立了不同轨道模型，研究了不同轨道振动波传递的规律。本文在上述学者研究的基础上，采用三维模拟、力学试验、爆破振动监测等技术手段对软岩地区的双隧道开挖建设进行研究，旨在对该地区的双隧道开挖进行全面解析，为双隧道的安全施工提供科学的指导。

2 工程概况

某分离式双线铁路隧道穿越山脊，左线起讫桩号ZK2＋070～ZK2＋950，隧道长880 m，设计纵坡0.539%和－0.75%的人字坡；右线起讫桩号K2＋070～K3＋035，隧道长965 m，设计纵坡0.482%和－0.75%的人字坡；隧道最大埋深约110 m，净距19～33 m，明洞5 m，洞身围岩Ⅲ级1 611 m、Ⅳ级204 m、Ⅴ级25 m。该区域内的主要地层大概有3种，由上至下分别为:上部覆土层、中部砂岩层和下部硬岩层。根据当地的实际情况建立的模型如图1所示。隧道建设区域的地质条件主要为剥蚀、溶蚀地貌，沟谷纵横，地势条件相对比较复杂，区域内地形变化较大，且延伸方向不稳定，近似为曲线走向，局部为陡壁。且隧道建设区域交通不便，隧道的埋藏区域位移构造带，区域内存在次级断裂和褶皱地质条件，为一断裂破坏加剧的复式向斜构造，核部主要由三叠系、侏罗系地层。该构造带大部分与其东西侧歹字形构造复合，成为区内活动时间长、规模大、对区域沉积岩相、岩浆活动、变质作用起控制作用的构造。该地区内地下水主要受大气降雨补给，同时地表水受降雨控制明显，雨季流量大，枯水季节水量小。

图1 模型示意

3 岩体的力学试验及质量评价

3.1 岩体的力学试验

该区域内主要地质岩层为3种，分别为上部覆土层、中部砂岩和底部的坚硬岩层，隧道的建设主要集中在砂岩岩层中。因此研究中主要对砂岩的物理力学性质进行了分析研究。通过现场钻孔取样的方式提取砂岩岩样，并经切割打磨为标准试件，而后进行单轴抗压强度试验，单轴力学试验的试验结果如图2所示。研究中将上部土层的力学参数和下部硬岩的力学参数通过查表得到。

图2 单轴抗压试验的应力应变曲线(部分图件)

根据图2砂岩岩样的单轴抗压强度的试验结果可知，岩块在受到垂直应力的条件下，砂岩表现出不稳定的应力应变状态，说明砂岩是不均匀的，力学性质容易发生变化。试验过程中岩样的残余强度出现了4次，为安全起见，施工中以岩样出现第一次峰值时的强度作为该砂岩的单轴抗压强度。经计算得该岩石试件的单轴抗压强度为27.63 MPa，弹性模量为8.76 GPa。

3.2 岩体的质量评价

岩体的质量评价方法主要是通过经试验测得的岩石试件的物理力学性质，并根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB 51016—2014)和Hoek-Brown强度准则来共同确定。岩体质量评价中除岩石试件的力学性质外，还需要考虑岩层的结构面、地下水，节理面粗糙程度、爆破扰动以及结构面的胶结情况等。

因此根据现场钻孔计算出岩石的RQD值，并根据上述因素计算得岩体的RMR和GSI值，而后采用岩体力学的计算公式即式(1)和式(2)对岩体的极限抗拉强度和抗压强度进行计算。

岩体单轴抗压强度计算公式:

岩体单轴抗拉强度计算公式:

经计算，并通过查阅《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB 51016—2014)及相关资料，将该区域内的岩土体力学性质汇总如表1所示。

表1 岩体力学参数

4 双隧道开挖静力荷载数值分析

FLAC3D数值计算软件对岩土体的形变量具有良好的分析基础，且运算能力强大，对各类岩土体均有优越的算法，涉及各类岩土体的弹性模量、内摩擦角、内聚力、抗拉强度等都可进行系统的分析。本文研究中的双隧道开挖中主要岩层为砂岩。由于砂岩的物理形变性质为弹塑性力学性质，因此隧道的破坏满足弹塑性变形性质，即破坏形式主要分为:弹性变形阶段、塑性变形阶段和残余变形阶段。在此地质条件下，采用基于弹塑性应变理论的三维数值模拟方式对区域内的岩土体进行专项模拟，隧道的开挖部分采用空单元模型[10]模拟，采用摩尔－库伦弹塑性理论[11－12]进行计算。

计算中对三维隧道模型进行边界设置，由于计算参数是根据试验和规范计算得来，因此设模型为均质体，计算中不考虑地下水的影响。根据现场测得的地应力对模型的顶部和四周进行应力边界设置。模型的底部和四周为固定边界，模型顶部在设置重力作用后，设置为自由边界。

为了解该区域内的岩层地质条件在隧道开挖后的情况及应力分布情况，对双隧道开挖后的周边岩体位移及应力进行全面分析。由于隧道上部存在上覆岩层，上覆岩层主要受重力作用的影响；而隧道开挖时监测隧道的收敛情况及隧道的水平方向位移。因此模拟中主要对隧道的水平位移和垂直应力进行全面的分析讨论。

由图3可知，隧道开挖后，隧道两侧的位移变化相对较大，主要位移集中在双隧道的相邻两侧(即双隧道中部岩柱)。其最大位移量为280 mm，该区域内的位移量大大超出了岩体的形变量，说明隧道开挖后，需进行支护，否则有塌陷危险。

图3 双隧道开挖后隧道位移云图

根据图4可知，双隧道开挖后，隧道上部和周边的垂直应力分布相对均匀，且双隧道顶部受到的垂直应力相对较大。众所周知，隧道的拱顶破裂为岩石的拉伸破坏。根据计算结果可知，双隧道顶部的应力达0.05 MPa，而岩体的极限拉伸破坏强度约为0.01 MPa，大大超出了岩体的极限抗拉强度，因此，开挖过程中，隧道顶部的岩层可能会垮塌。

图4 双隧道开挖后隧道周边垂直应力分布

由图5可知，双隧道开挖后，1＃隧道左右拱腰的位移变化量存在很大差异。其中，1＃隧道左腰的位移量远小于隧道右腰的位移量。虽然左右拱腰的位移量均随着开采的进行不断上升，但是隧道左腰的位移量上升趋势较小，且处于可控状态，而1＃隧道右腰的位移量近似呈“指数”增长，位移量处于不可控状态，由此可知，1＃隧道右腰极易出现坍塌、片帮等现象。

图5 1＃隧道左右拱腰水平位移分析

由图6可知，双隧道开挖后，2＃隧道左右拱腰的位移变化量存在很大差异。其中，2＃隧道右腰的位移量远小于隧道左腰的位移量。2＃隧道开挖后的隧道形变量与1＃隧道极为相似，均处于上升状态。且隧道右腰处于可控状态，隧道左腰的位移量近似呈“指数”增长，位移量处于不可控状态，因此2＃隧道的左腰同1＃隧道的右腰一样，可能出现片帮等不良施工现象。

图6 2＃隧道左右拱腰水平位移分析

综上所述，该区域内隧道的开挖需进行超前支护，并需要在施工过程中对隧道的收敛情况进行监测。实践证明，此双隧道开挖支护方式实施以来，隧道的内部形变量很低，由此可见，采用超前支护的方法对隧道的开挖有良好的保护作用。

上述对隧道的分析只考虑了隧道的静力荷载条件，由于隧道所处的岩层为砂岩，从试验结果来看，砂岩的物理力学性质不太稳定，且力学性质的分布也不均匀，因此开挖过程中采用爆破的方式进行，局部岩段采用的装药量会相对较大，因此需对部分装药量大的位移进行爆破振动监测，以保证相邻隧道的安全。

5 双隧道爆破振动分析

根据隧道的开挖顺序及上述的模拟结果发现，1＃隧道的右腰和拱顶还有2＃隧道的左腰和拱顶存在坍塌和垮落的风险，因此，分别在1＃隧道的右腰、拱顶和2＃隧道的左腰和拱顶分别设置监测点，共设置4个监测点。其中1＃隧道右腰和拱顶的监测点为1＃监测点和2＃监测点，2＃隧道的左腰和拱顶为3＃监测点和4＃监测点。

各监测点的监测内容主要包括爆破振动波在三维方向上的传播速度，即x方向、y方向和z方向(x方向为隧道的水平方向，y方向为隧道的纵向方向，z方向为隧道的垂直方向)。根据各监测点的爆破振动波形图(1＃测点见图7，其他测点限于篇幅未列)分析如下:

图7 1＃测点爆破振动波形

(1)从图7可以看出，在采用超前支护的前提条件下，2＃隧道爆破时对1＃隧道右腰和拱顶的扰动相对较小。其中1＃x方向的最大爆破速度约为0.17 cm/s；z方向的爆破速度次之，约为0.15 cm/s；y方向的传播速度最小，约为0.13 cm/s。

(2)2＃监测点x方向的最大爆破速度约为4.09 cm/s；y方向的爆破速度次之，约为3.76 m/s；z方向的传播速度最小，约为3.00 cm/s。说明爆破振动波对隧道拱顶水平方向的爆破振动最大。

(3)1＃隧道爆破时对2＃隧道右腰和拱顶的扰动也不大。其中3＃监测点x方向的最大爆破速度约为0.50 cm/s；y方向的爆破速度次之，约为0.31 m/s；z方向的传播速度最小，约为0.30 cm/s。

(4)4＃监测点x方向的最大爆破速度约为3.45 cm/s；y方向的爆破速度次之，约为2.40 m/s；z方向的传播速度最小，约为1.90 cm/s。说明爆破振动波对隧道拱顶水平方向的爆破振动最大。

6 结论

本文通过对某铁路双隧道开挖过程中的地质条件影响和施工爆破影响进行了全面的分析，具体结论如下:

(1)双隧道的开挖岩层为砂岩，其物理力学性质容易发生变化，试验过程中岩样的残余强度出现了4次，说明砂岩是不均匀的。根据安全最大化的原则，经计算砂岩试件的单轴抗压强度为27.63 MPa，弹性模量为8.76 GPa。

(2)通过数值分析可知，隧道开挖时，周边岩体很不稳定，极易发生冒落及片帮，在开挖前对周边岩体采用超前预加固措施，可确保隧道开挖安全、稳步进行。

(3)通过对双隧道的爆破震动监测可知，双隧道在开挖过程中，爆破振动无论是拱顶上还是左右拱腰上，振动对另外一个隧道的水平方向影响最大，因此爆破开挖中应采用微差控制爆破来控制爆破的扰动，以维护隧道的稳定性。