相山隧道围岩变形风险评估及控制对策研究

张政

（中国铁路上海局集团有限公司 合肥铁路枢纽工程建设指挥部，安徽合肥 230041）

0 引言

山区隧道修建常会受到基岩破碎、褶皱及断层等不良地质条件的影响，从而易造成围岩强度降低及洞周应力集中，进而导致施工隧道产生变形并诱发失稳破坏，既造成经济损失，也产生安全隐患。

针对隧道变形问题，丁秀丽[1]等依据国内外工程案例，阐明多种因素对隧道变形的影响机理，并将所提出的判据及公式应用于实际；郭新新[2]等从蠕变角度入手，分析考虑蠕变特性下的隧道变形特性；杨林霖[3]等对各支护参数施加敏感性展开分析，对现场施工工序进行改进，达到控制隧道变形的目的；孙克国[4-6]等在传统主动支护结构基础上，结合波纹板、钢筋网等新型支护材料，构建隧道整体支护体系，共同控制隧道变形。

上述研究为隧道变形控制提出了丰富的思路及方法。但现场施工往往受到多种因素的影响，因此应基于现场实际情况，因地制宜地提出隧道控制方案。本文以安徽省相山隧道为工程背景，分析隧道开挖与围岩变形之间的关系，通过FLAC3D数值模拟计算隧道变形情况，研究不同开挖方式对隧道变形的影响，并探究相应支护体系对隧道变形的控制作用。

1 工程背景

相山隧道主体所在区域位于淮北市、宿州市萧县境内的相山西北部，地貌为剥蚀低丘，山体呈北北东向分布，区内地形稍有起伏，相对高差为30～144 m。山体主要由盐酸岩夹碎岩屑组成，多为单斜地形。坡麓地带的小型溶洞、溶沟（槽）、石芽等岩溶地貌发育。线路经过区内基岩露出地表，主要岩性为寒武系中薄层的白云质灰岩、泥质粉砂岩，呈北北东，东北向。

由超前地质预报结果可知，相山隧道洞身稳定性条件较差，沿线共涉及5 处断层破碎带、褶皱等，其围岩级别统计如表1 所示。尤其该隧道进口段（图1）位于采石场区域内，受采石爆破影响，造成该部分岩体裂隙发育、基岩破碎，基本处于Ⅴ级围岩范围内，若不采取强制措施，易导致进口段隧道围岩变形量增大，最终导致失稳破坏。

图1 隧道进口位置示意图

表1 相山隧道围岩分级表

2 相山隧道围岩变形风险评估

为探究高风险条件下相山隧道围岩变形问题，使用FLAC3D有限元计算软件，对相山隧道进口里程DK5+080 ～DK5+110范围内共计30 m 长隧道建立数值计算模型。如图2 所示，模型尺寸为60 m×30 m×60 m（长×宽×高），采用全断面开挖，每次开挖进尺为0.6 m，并在拱顶设置三个测点（图3）对拱顶沉降展开监测。

图2 计算模型示意图

图3 数值模拟结果

岩体各项基本力学参数由现场取样，并进行室内力学试验获得。建模范围内岩体主要为缅状含白云质灰岩，其各项力学参数如表2 所示。

表2 岩体力学参数

图3 所示为隧道沉降数值模拟结果，由图3(a)可知，隧道开挖造成的围岩变形主要来自于拱顶沉降和底鼓，达到平衡状态后，拱顶总沉降量为663 mm，总底鼓量为451 mm。图3(b)所示为隧道拱顶下沉曲线，顶板最大沉降位于拱顶中部位置，在开挖方向与岩体最大水平主应力方向一致的情况下，拱顶左右两侧沉降量基本一致，且变化规律相似。在掌子面前5 m 范围内，拱顶开始产生沉降，在到达掌子面位置处时，三个监测点的沉降量分别为66.13 mm、47.58 mm 及14.75 mm。当经过掌子面，在掌子面后0～10 m 范围内，拱顶沉降量开始急剧升高，当到达掌子面后10 m 位置处时，3 个测点的沉降量分别为376 mm、433 mm及562 mm。在掌子面后10～20 m 范围内，拱顶沉降速度开始缓慢降低，并在掌子面后20 m 范围外趋于恒定。达到恒定状态时，三测点的沉降量分别为663 mm、507 mm及489 mm。

由数值模拟结果可知，由于隧道围岩性质较差，在开挖完成后会造成较大围岩变形，存在变形失稳风险。若不采取相应手段进行控制，将会诱发隧道整体失稳破坏。

3 相山隧道变形控制对策研究

本文主要通过开挖方式改变及支护手段控制两方面对相山隧道变形控制进行分析。

3.1 开挖方式影响

在使用钻爆法开挖过程中，使用二台阶或三台阶法能够降低单次开挖对围岩扰动的影响。因此可通过在Ⅴ级围岩所在区域使用二台阶及三台阶法进行数值计算，构建二台阶及三台阶模型，如图4 所示。

图4 台阶法开挖模型

台阶法模型尺寸、边界条件及岩体物理力学参数等均与第3 节中类似。其中，二台阶法使用超短台阶法开挖，上台阶超前下台阶4.8 m交替开挖；三台阶法开挖时，中台阶滞后上台阶4.8 m，下台阶滞后中台阶7.2 m 开挖。分别整理台阶法开挖过程中拱顶沉降量与全段面法开挖的对比，得到对比图（图5）。

图5 不同开挖方式拱顶沉降对比

由图5 所示不同开挖方式下拱顶沉降对比可知，全段面法、二台阶法及三台阶法开挖过程中，拱顶最终沉降量分别为663 mm、647 mm 及632 mm，以全断面法为基准，使用二台阶法及三台阶法开挖，最终沉降量分别为全段面法开挖的98%、95%。说明开挖方式的改变能在一定程度上降低围岩变形。尤其在V 级围岩情况下，使用三台阶法配合临时仰拱施工，能够将大断面划分成自上而下的3 个小单元开挖，缩小开挖面，同时临时仰拱能将每个小单元及时封闭成环，形成环向受力，从而有效发挥初期支护整体受力效果，阻止结构变形。

3.2 支护措施控制

基于3.1 节计算结果，针对相山隧道进口处基岩破碎的实际情况，拟采用三台阶法进行开挖，同时施加联合支护措施，增强围岩整体强度。其主要工序包括以下几部分：

（1）掌子面开挖前，沿隧道纵向在拱部开挖轮廓线外向上方倾斜一定角度设置超前小导管，加固掌子面前方围岩；

（2）掌子面开挖后，沿隧道临空面支设钢架及锚杆，并喷射混凝土将其覆裹在内。由钢架、锚杆及喷射混凝土等共同组成的支护体系，起到初期临时支护的作用，同时又作为永久支护的一部分；

（3）随初期支护完成，在围岩变形趋于稳定后，需要进行第二次支护及封底，通过补喷射混凝土，封闭整个开挖面，起到提高安全度和增强支护体系整体强度的作用。

以上过程中应用到的主要支护措施参数如表3 所示。

表3 主要支护措施参数

为验证表3 中各项支护措施是否能有效控制相山隧道围岩变形，构建图6 所示支护状态下数值计算模型。

图6 数值计算模型

本节中隧道使用三台阶法开挖，模型尺寸、边界条件及岩体物理力学参数等均与第3 节中类似。隧道内部衬砌结构在建模过程中提前建立，随开挖赋予elastic本构关系，通过改变参数大小，分别模拟不同等级混凝土衬砌，其中C25、C35 混凝土参数值如表4 所示。初期支护锚杆使用FLAC3D内置cable（CABLE）结构单元进行模拟，并通过Fish 语言控制锚杆施加时机。钢架则是使用liner 单元结构沿隧道内壁施加，与衬砌锚杆共同作用，限制隧道变形。

表4 喷射混凝土参数

如图7 所示为支护力共同作用下隧道变形云图及拱顶沉降曲线。相较于无支护开挖，围岩整体变形量大幅降低，拱顶最大沉降量降低至36.6 mm，最大底鼓量降低至28 mm，符合施工隧道正常沉降量范围。且隧道在掌子面后20 m 位置达到平衡，说明使用“三台阶法+联合支护”的方式可有效控制隧道围变形破坏发生，预防围岩变形量过大而造成隧道的整体失稳破坏。

图7 联合支护作用下隧道变形

4 结论

本文基于相山隧变形情况，采用理论分析、数值模拟相结合的方式，得到如下结论：

（1）隧道变形受围岩强度及内部应力影响，相山隧道在无支护极端情况下，拱顶最大下沉量为663 mm，最大底鼓量为451 mm，具有变形失稳风险；

（2）对比分析全断面开挖、二台阶开挖及三台阶开挖情况下隧道变形可知，三台阶开挖能够在一定程度上降低围岩变形，且支护能够及早闭合，增强抵抗变形能力；

（3）在使用“三台阶法+联合支护”的控制手段下，拱顶最大沉降量降低至36.6 mm，表明该控制体系能有效控制围岩变形。