高地应力软岩大变形隧道稳定性判据研究

朱永全 孙明磊 李文江

(石家庄铁道大学, 石家庄 050043)

1 隧道结构体系及其稳定性定义

(1) 隧道体系

一般隧道由支护结构与衬砌围岩两部分体系构成，在隧道体系中承受荷载的主要是围岩部分。围岩，特别是软弱围岩开挖后，在隧道施工扰动和周边应力集中作用下，隧道周边一定区间内的围岩会产生局部松动甚至损伤，这部分围岩需要进行加固或支护。因此，隧道稳定性的主要控制对象是围岩，既应充分发挥围岩的自承能力，又不能使围岩出现松动，保持围岩的稳定性。换言之，即可使围岩产生适量的塑性变形，但不允许围岩产生过度塑性变形。

隧道支护系统一般由喷射混凝土、锚杆、钢架、钢筋网等部分组成，支护系统对围岩稳定起到“支”和“护”的作用。其中“支”是指向围岩施加支护作用力，使洞壁周围岩径向应力增大，打破周边岩体的原始应力状态，受力状态由双向转变为三向；“护”是指封闭、改善被扰动围岩的完整性，从而提高围岩的稳定性，也就增加了支护体系的稳定性。

(2)隧道稳定性

软弱围岩是指强度低的地质软岩和破碎岩，具有强度低、围岩自稳能力差的特点，隧道施工中，易出现大变形、持续时间长、变形速率大等特征[1]。

隧道多采用复合式衬砌形式，体系中主要以支护保证围岩的稳固[2]。因此，隧道稳定性主要是指围岩稳定和支护后隧道的稳定情况。因此，一般软弱围岩隧道的稳定性定义为隧道不发生围岩坍塌，衬砌周边位移适量、可控，支护结构不侵限、不产生较严重的破损和裂缝。

(3)围岩稳定极限状态

一般开挖后，隧道周边围岩都有一定范围的塑性区或屈服区出现，但并不一定会出现围岩失稳。当塑性过程开始出现突变塑性应变或加速变形时，围岩材料将变成塑性流动状态，该部分围岩因过大变形而松动，扰动后极易失稳、坍塌，因此施工中应及时支护，及时约束围岩塑性应变突变，保持围岩稳定。

因此，可定义围岩在隧道开挖后发生位移加速变形或围岩塑性应变发生突变时的状态，为围岩的稳定极限状态，同时定义极限状态下的衬砌位移为围岩极限位移。

2 软弱围岩稳定性判别应用实例

2.1 突变状态下塑性应变理论的原理[3-4]

连续介质弹塑性力学有关塑性屈服理论在典型条件下有经典理论解，在非线性理论中的突变理论也有相关问题的论述。Zeeman首先提出尖点突变模型[5-7]，模型的势函数是二参函数(两个控制变量u和v)，其状态变量为x，即：

V=x4+ux2+vx

(1)

平衡位置需要相应满足：

(2)

势函数中叶的极大值点为平衡位置的临界状态，而势函数上下叶的其它位置点为稳定状态。在曲面作竖向切线需符合：

(3)

式(3)点附近，实际为曲线上的拐点。势函数两阶导数为零的抛物线如图1所示。

图1 势函数两阶导数为零的抛物线图

根据尖点分叉集理论得到方程:

Δ=8u3+27v2

(4)

式(4)可作为围岩发生位移失稳的充要判断依据。当Δ>0时，围岩状态稳定；Δ=0时，围岩状态为非稳定与稳定的临界点；Δ<0时，围岩状态不稳定。

2.2 关角隧道二郎洞断层稳定性分析

(1)工程概况

采用钻爆法施工的关角隧道，双洞单线全长32.6 km。隧道地区大地构造活动强烈，隧道通过14条次级断裂和3条区域性断裂，其中断裂发育最强烈部分为二郎洞段。二郎洞断层物质组成含石炭系板岩、下元古界混合片麻岩，断层泥砾和碎裂发育，区段隧道最大埋深为300 m。二郎洞断层区域隧道设计的支护采用厚28 cm 的C25混凝土，φ25系统自进式锚杆，纵向×环向间距0.5 m×1.5 m，1榀/0.5 m I20a型钢钢架，设计断面如图2所示。

图2 隧道横断面示意图(cm)

(2)计算模型

根据区段隧道埋深约为300 m的实际情况，建立二维有限元模型，模型底部采用位移约束，顶部及左右侧采用应力边界约束，计算模型如图3所示。根据断层破碎岩体相关试验及位移的分析成果，取围岩计算参数如表1所示。按照实际施工中的台阶法进行模拟，分别考虑上、下台阶开挖过程中的变形发展趋势，对开挖过程中的隧道失稳状态进行分析。

图3 计算模型示意图

表1 围岩计算参数表

(3)计算结果

上、下台阶开挖中，围岩出现应变突变时的位移如表2所示。

表2 出现围岩应变突变时的围岩位移表

由表2可知，围岩位移变形伴随地应力释放系数在开挖过程中产生了突变，突变点一般晚于塑性应变。

这种极限位移是在整个应力释放过程中得出的全部位移，与现场监测手段获得的位移相比，监测结果并未记录测前已发生位移。监测前期丢失的位移可在一定假设下计算补充。假设全部位移表示为：

U全部=u前期+u监测

(5)

式中：U全部——量测的全部位移；

u监测——监测的位移；

u前期——测点前期发生的位移。

u前期可通过模拟结果得到的总位移中前期位移所占的比例进行估算，即：

u前期=β×u监测

(6)

式中：β——前期变形释放率。

对该区段数值模拟结果进行分析，计算结果如表3所示。

表3 开挖前测点处洞周变形计算结果表

若开挖至第1次监测读数的时间不超过1 d，假设监测后位移变化规律与监测前一天一致，则可通过回归位移曲线前推，估算监测前的位移变化。

借用该区段隧道施工变形监测结果，施测前 第1天位移量计算如表4所示。

表4 各试验断面施测前第1天位移值表(mm)

考虑到实际工程中，由于围岩性质、隧道断面大小、开挖技术等的不同，前期位移会存在一定的离散性。因此，在上述数据处理过程中，应通过大量计算、统计，找出不同条件下的u前期位移供实际应用。

(4)现场实验验证

在隧道施工过程中，DyK 304+495、DyK 304+490两断面前期变形相对稳定，当隧道施工到DyK 304+471位置时，前述两试验断面监测位移发生加速，当边墙水平位移累计为255 mm、拱顶沉降121 mm时，位移速率增至 39 mm/d，隧道开始产生支护混凝土开裂、钢架扭曲等现象。

该断面实测和前期拱顶沉降分别为121 mm和110.7 mm，两者之和为231.7 mm，接近247 mm的计算极限值；该断面实测和前期墙腰水平收敛分别为 255 mm和221.3 mm，两者之和为276.3 mm，超过356 mm的计算极限值。现场观察发现支护结构破损较严重，采用长锚杆进行围岩加固补强后，才实现了区段隧道稳定。

3 大变形控制技术及经验

目前，国内外类似工程可供借鉴的经验，包括长锚杆、多重支护和可缩性支护等支护形式，以及超前导坑应力释放、增大边墙曲率等辅助计算措施，但缺少分部开挖工法、及时支护封闭施工方法等方面的内容[8-10]。

兰新铁路乌鞘岭隧道的成功修建是在高地应力隧道软岩大变形有效控制方面取得的巨大进步，采取的超前导坑、多重支护施工方法、边让边抗等措施，有效控制了围岩变形，所取得的成果为类似工程奠定了较好的研究基础，但同时也存在支护拆换、衬砌开裂、锚杆作用不突出、支护封闭不及时等问题。其它铁路典型隧道软岩变形控制水平与乌鞘岭隧道基本相同，但也有各自的特点。如兰渝铁路软岩隧道更加强调多重支护，成兰铁路软岩隧道则更注重锚杆的作用，丽香铁路软岩隧道采用加强洞室边墙曲率等。

在软岩变形控制措施方面，若支护措施不当，会发生侵限，目前采取的补救措施是拆撑和换撑。对于支护对象本来就是很破碎的岩体，在这些“二次支护”理论指导下，岩体在多重支承压力作用下得到了更加充足的时间，使其应力释放而加速变形，对围岩多次扰动，导致围岩松动范围逐渐增大，隧道周边的塑性区扩大。特别是支护不及时或结构刚度、强度不足时，围岩破坏范围更大，对后期拆换的支护强度要求更高，从而不得不采用被动的“剥皮”支护，造成多次拆撑或换撑，形成恶性循环。

4 相关问题的思考

4.1 理想弹塑性连续介质理论与实际的矛盾

本文在假设理想弹塑性介质连续的条件下，对围岩极限状态通过塑性应变突变的原理进行判别。隧道开挖后，围岩应力的调整过程如图4所示。

图4 隧道开挖后围岩应力调整过程示意图

4种围岩应力调整结果如下：

(1)无支护弹性稳定状态

洞周变形以弹性变形为主，围岩无需支护，自身能够达到平衡状态。

(2)无支护塑性稳定状态

隧道周边将出现塑性区，围岩以塑性变形为主，在无支护条件下，围岩能通过调整塑性区的分布范围来达到新的平衡状态。

(3)支护作用下的稳定状态

二次应力超过围岩的屈服极限，采取支护措施后，围岩应力达到新的平衡状态。

(4)失稳状态

当支护不及时或者支护力不足时，隧道围岩将失稳破坏。

假设理想弹塑性介质连续，则与已有工程经验的早、强、多层支护做法相矛盾。理想连续介质可通过释放变形减小围岩压力。实际破碎围岩变形越大、松动区越大，需要支护的围岩压力越大，现有的结构、材料支护能力有限，支护失效后，拆换导致松动区越来越大，需要的支护能力越来越强。

4.2 近区围岩塑性流动、松动后应力释放与稳定性分析方法

当塑性过程发展到塑性应变突变或变形加速状态时，围岩塑性状态为流动状态，该部分的围岩变形过大且已松动，围岩介质是松动区和连续区的不同介质型式，围岩压力拱范围如图5所示。

图5 围岩压力拱的范围图

在软岩隧道施工变形控制实践中，总结出了以下的有效经验：

(1)大变形隧道的围岩介质多为层状软岩、破碎岩，节理裂隙发育，隧道开挖后立即发生松动变形，正常支护的施工条件下，统计其松动圈深度为2.0～10.0 m，形成的支护压力较大，需要较大刚度的支护。

(2)为减小松动压力，需要更及时地支护。

(3)在围岩松动的同时，存在较大的塑性变形，简单的大刚度支护不适合，需采用多层支护、可缩式支护。每次的支护拆换会增大松动圈，需要更大刚度的支护。

(4)近区围岩塑性流动松动、深部为连续介质条件下，高地应力软岩大变形隧道稳定性理论分析与判据方法有待深入研究。

5 结论

(1)软弱围岩隧道开挖后，在隧道施工扰动和周边应力集中作用下，隧道围岩在一定区间内发生局部损伤和松动，这部分围岩需要进行加固支护。因此，开挖过程中应发挥隧道周边岩体的自承能力，围岩可以产生适量的塑性变形，但不能出现因过大变形引起松动而破坏围岩的稳定性。

(2)一般情况下，隧道开挖后周边围岩都有一定范围的塑性区或屈服区出现，当塑性过程发展到塑性应变突变或变形加速时，围岩材料将变成塑性流动状态，该部分围岩因过大变形而松动，扰动后极易失稳、坍塌。

(3)在近区围岩塑性流动松动、深部为连续介质条件下，高地应力软岩大变形隧道稳定性理论分析与判据方法有待深入研究。