片理化玄武岩隧道大变形影响因素分析

崔光耀 陈秦泷 王明胜 祁家所

（1.北方工业大学， 北京 100144；2.中铁城市发展投资集团有限公司， 成都 610000）

随着越来越多的隧道穿越高地应力区，围岩大变形灾害开始频繁出现［1］，如青藏铁路关角隧道［2］最大水平收敛超过500 mm，给现场施工带来极大的困难；兰渝铁路木寨岭隧道［3］施工中最大变形量达1 300 mm，变形速率超过680 mm／d，多次出现二衬开裂；丽香铁路中义隧道最大累计变形超过500 mm，导致施工严重受阻。

目前，国内外学者对隧道大变形已经做了大量的分析和研究。在大变形影响因素方面，李磊［4］通过理论分析和数值模拟，发现高应力陡倾层状软岩小间距隧道大变形灾害是围岩产状、构造应力、近接施工、围岩强度等多重因素耦合的结果；杨会军［5］对影响复杂条件下长大隧道围岩变形的施工因素进行分析，认为施工对隧道的围岩变形影响显著，其中开挖初期影响最大；朱浩波［6］从支护时机、支护厚度、围岩强度和埋深4个方面分析了围岩的变化规律；王智超［7］通过数值模拟研究了锚喷厚度和开挖速度对软弱围岩的变形影响，结果表明锚喷厚度对围岩水平收敛影响微弱，而开挖速度在短期内对围岩变形影响明显，对围岩长期变形的影响较小；杨成忠［8］分析了隧道施工过程中围岩变形规律，得出了不同围岩等级、断面尺寸和施工工法对隧道变形的影响。以上研究结果表明，隧道大变形是地应力、地层岩性、支护强度、地质构造和施工因素等条件综合作用的结果［9-10］。

部分学者认为地应力、地层岩性、支护强度等条件是高地应力隧道大变形发生的主要原因，其中围岩级别至关重要，支护强度次之［11-15］。为研究片理化玄武岩隧道大变形影响因素，本文采用FLAC3D数值模拟软件对不同埋深、支护强度和围岩级别条件下的围岩变形进行对比分析。研究了片理化玄武岩隧道的变形规律。

1 工程背景

1.1 地质情况

该隧道属于滇藏铁路控制工程，全长14 745 m，最大埋深为1 250 m，跨越1条断裂带，该断裂带受我国南北向地震带影响较大，构造运动强烈。隧道围岩主要为片理化玄武岩，结构面呈张开状，围岩强度低。通过铅直孔水压致裂法测得隧道最大水平主应力最大值为28.16 MPa，最大水平主应力最小值9.35 MPa，属于高地应力区。

1.2 原隧道支护

该隧道的开挖工法为双台阶法，隧道断面为边墙小曲率的A型衬砌断面，初支采用厚22 cm的C25喷射混凝土，钢拱架为间隔0.8 m的I18型工字钢；二衬为厚度为45 cm的C35混凝土。

2 研究概况

2.1 大变形影响因素

该隧道施工过程中，部分区段大变形灾害严重，通过调查研究确定影响大变形的主要因素有：

（1）埋深大

隧道工程平导段平均埋深780 m，最大埋深1 050 m。该段实测地应力侧压系数平均为1.74，最大水平地应力平均为23.45 MPa。

（2）支护结构设计不合理

该隧道主洞室原设计为IV级锚喷I型支护，直墙圆拱洞形，钢拱架强度较低，不能有效提高围岩承载力，无法有效地控制围岩挤压性变形。

（3）围岩破碎

隧道围岩岩性以玄武岩（片理化）为主，节理、裂隙发育。结构面填充物以绿泥石、蒙脱石为主，绿泥石遇水软化严重。围岩裂隙水较发育，围岩强度应力比小于0.12。

由以上分析可知，该隧道围岩大变形的影响因素主要是埋深、支护强度和围岩级别。本文借助FLAC3D分别研究不同埋深、支护强度和围岩级别对大变形的影响效果。

2.2 建立模型

采用数值软件FLAC3D建立计算模型，模型宽为隧道洞径的7倍，约50 m，纵向深度为12 m，模型高50 m（实际隧道埋深较大，以施加地应力模拟实际埋深）。模型边界条件为：四周设置法向约束，底面设置全约束，顶面无约束。模型中围岩采摩尔 - 库伦准则，网格单元采用弹塑性材料，初支和二衬的网格单元采用粘弹性材料。隧道开挖支护过程采用蠕变cpow模型进行计算分析。计算模型如图1所示。

图1 隧道模型图

2.3 研究分组及计算参数

2.3.1 地应力影响分析

该隧道埋深在600～1 000 m之间，分别对埋深600 m、800 m、1 000 m的隧道的围岩变形和塑性区分布进行比较分析。方案分组及各方案地应力状态如表1所示。

表1 不同埋深下地应力状态表

隧道围岩为片理化玄武岩，初支为C25喷射混凝土+钢拱架，混凝土厚度为22 cm，钢拱架为I18型工字钢；二衬为C35混凝土，厚度为45 cm，具体参数如表2所示。

表2 模型计算参数表

2.3.2 支护强度影响分析

根据原隧道支护设计，对3种不同的支护强度进行研究，分析研究支护强度对隧道大变形的影响规律，分组如表3所示，计算参数如表4所示。

表3 各方案支护参数表

表4 各支护方案计算参数表

2.3.3 围岩级别影响分析

该段隧道围岩主要为片理化玄武岩，岩性软弱，物理力学性能极差，且裂隙水较为发育，属于Ⅴ级围岩。为研究不同围岩级别下软岩隧道变形规律，将该软岩隧道围岩取为Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩以及Ⅴ级围岩（片理化玄武岩），研究分组及计算参数如表5所示。

表5 研究分组及围岩计算参数表

2.4 监测布置

监测面设置在隧道中间部位，因隧道采用双台阶法开挖，故在上、下台阶设置收敛测线，上台阶设置拱顶沉降测点，测点分布如图2所示。

图2 测点分布图

3 数值模拟结果分析

3.1 地应力影响分析

3.1.1 围岩变形分析

提取拱顶沉降、上台阶收敛和下台阶收敛数据，绘制隧道变形量与埋深的关系特征曲线，如图3所示。

图3 不同埋深的围岩变形特征曲线图

由图3可知，隧道各部位围岩变形量随隧道埋深增加而增大，基本呈线性上升。方案B拱顶沉降量为8.36 mm，较方案A增大59.85%；方案C拱顶沉降量为13.16 mm，较方案2增大57.41%；方案B上台阶水平收敛量为18.24 mm，下台阶水平收敛量为30.14 mm，较方案A分别增大38.71%和24.96%；方案C上台阶水平收敛量为25.23 mm，下台阶水平收敛量为37.10 mm，较方案2分别增大39.97%和23.10%。

3.1.2 围岩塑性区分析

提取各组方案开挖支护完成后的塑性区范围分布，如图4所示。

图4 不同埋深的塑性区分布图

由图4可知，支护完成后，围岩塑性区出现在隧道附近，且围岩塑性区范围与隧道地应力状态呈正相关；围岩塑性区分布范围随着地应力不断增加而持续扩增；围岩塑性区主要增大部位为隧道仰拱及边墙处，方案C围岩塑性区范围最大；当隧道埋深较大时，隧道主要破坏形式为剪切破坏。

综上所述，地应力是软岩隧道变形影响的主要因素，隧道洞周围岩变形量随着隧道所受地应力增大而增大，且围岩变形量增大幅度基本相同；围岩塑性区分布范围随着隧道埋深的增大而扩大。

3.2 支护强度影响分析

3.2.1 围岩变形分析

提取拱顶沉降、上台阶收敛和下台阶收敛数据，绘制监测变形量与支护强度的关系特征曲线，如图5所示。

图5 不同支护强度的围岩变形特征曲线图

由图5可知，监测点变形量随支护强度增强而减小。方案B拱顶沉降量为8.06 mm，与方案A相比减小20.67%，上台阶水平收敛量为18.23 mm，与方案A相比减小15.01%，下台阶水平收敛量为34.24 mm，与方案A相比减小14.08%；方案C拱顶沉降量为6.56 mm，与方案B相比减小18.61%，上台阶水平收敛量为14.41 mm，与方案B相比减小20.95%，下台阶水平收敛量为31.61 mm，与方案B相比减小7.68%；隧道洞周各部位围岩变形量随着隧道支护强度的增强而出现不同程度减小，上、下台阶水平收敛量显著下降。

3.2.2 围岩塑性区分析

提取各组方案开挖支护完成后的塑性区分布，如图6所示。

图6 不同支护强度的塑性区分布图

由图6可知，隧道洞周均出现了不同大小的塑性变形区域，方案3塑性分布区最小。围岩塑性区范围与支护强度呈负相关，围岩塑性区范围内剪切破坏的破坏范围随隧道支护强度增强而减小，且剪切破坏范围逐渐向隧道靠近，围岩塑性区轮廓随支护强度增强而逐渐不均匀，围岩塑性区减小部位主要集中在边墙以及拱肩处。

综上所述，软岩变形受支护强度影响尤为明显，隧道洞周各部位围岩变形量随着隧道支护强度的增强而以一定幅度减小，围岩塑性区分布范围随着隧道支护强度加强而缩小。

3.3 围岩级别影响分析

3.3.1 围岩变形分析

提取拱顶沉降、上台阶收敛和下台阶收敛数据并绘制关系特征曲线，如图7所示。

图7 不同围岩级别的围岩变形特征曲线图

由图7可知，围岩变形量受围岩级别影响较大，围岩各部位变形量随着围岩级别的提高而明显提升；围岩级别为Ⅴ级围岩时，变形量提升最明显；相较于方案A，方案B拱顶沉降量、上台阶水平收敛量和下台阶水平收敛量依次增大371.62%、199.54%和139.34%；相较于方案B，方案C拱顶沉降量、上台阶水平收敛量和下台阶水平收敛量依次增大191.12%、286.61%和299.89%；当隧道所处围岩级别提高时，隧道洞周各部位围岩变形量不断增大。

3.3.2 围岩塑性区分析

提取各组方案开挖支护完成后的塑性区范围分布，如图8所示。

图8 不同围岩级别的塑性区分布图

由图8可知，隧道支护完成后洞周均出现了塑性变形区域。衬砌各部位围岩塑性区范围随围岩级别增大而扩大，围岩塑性区主要增大部位为隧道仰拱及边墙处；围岩塑性区范围内剪切破坏的破坏范围随之扩大；方案C围岩塑性区范围最大；随着围岩级别增大，围岩塑性区轮廓逐渐均匀。

综上所述，围岩级别对隧道洞周围岩变形量的影响十分明显，隧道洞周各部位围岩变形量随围岩级别增加而增大。围岩塑性区分布范围具有伴随围岩级别提升而扩大的特征。

4 结论

本文依托某隧道片理化玄武岩段，通过数值模拟分别对不同埋深、支护强度和围岩级别下的围岩变形进行分析，得出以下主要结论：

（1）在该片理化玄武岩隧道施工过程中，由于围岩软弱、地应力高、支护结构设计不合理，隧道支护过程中沿洞周出现了塑性区；沿围岩深度方向，塑性区不断将应力向弹性区转移；沿洞内方向，塑性区不断变形以降低所承受的应力，围岩产生较大的变形。

（2）从地应力方面来看，当地应力增大时，洞周围岩变形量提升明显，基本呈线性增加；围岩塑性区分布范围伴随地应力增大而扩大，围岩塑性区主要增大部位为隧道仰拱及边墙处。

（3）从支护强度方面来看，隧道洞周围岩变形量随着围岩支护强度的增强而减小；围岩塑性区分布范围伴随支护强度加强而缩小，围岩塑性区减小部位主要集中在边墙以及拱肩处。

（4）从围岩级别方面来看，围岩变形量受围岩级别影响较大，围岩各部位变形量随着围岩级别的提高而明显提升，围岩塑性区分布范围伴随围岩级别提高而扩大。