长昆客运专线雪峰山地区炭质板岩隧道地层变形规律初探

许占良 施成华

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251;2.中南大学，湖南长沙 410012)

自20世纪初首例严重的交通隧道软弱围岩大变形发生以来，国内外隧道工程发生的围岩大变形灾害的事例屡见不鲜，是困扰地下工程界的一个重大问题。首例严重的交通隧道软弱围岩大变形是1906年竣工的辛普伦I线隧道[1］。此后，国外如日本的惠那山(Enasan)公路隧道、奥地利的陶恩(Tauern)隧道，国内如南昆线的家竹箐隧道、兰渝线的木寨岭隧道等工程均出现了不同形式和程度的围岩大变形情况，给工程建设造成极大的困难，给隧道设计施工带来了一系列的问题[1-5］。

长昆铁路客运专线长沙至玉屏段共有隧道122座，总延长约200 km。根据已有勘测资料，该段炭质板岩隧道14座，炭质板岩总长度大于19 km，其中埋深大于100 m的段落长度10.35 km，隧道开挖面积约153 m2，属于典型的超大断面隧道。从目前国内工程实践来看，炭质板岩隧道在施工过程中均有可能发生较大变形，如正在施工的木寨岭隧道炭质板岩地段发生了较大变形，最大变形达到1.0 m。因此，开展炭质板岩隧道开挖引起地层变形规律研究对设计施工具有重要意义。

以雪峰山隧道3号隧道为例，考虑到实际工程可能存在的地质环境，通过建立多工况数值计算模型，分析地应力、隧道埋深、围岩级别以及应力释放率等因素对隧道开挖引起地层变形的影响，其结论可供隧道设计和施工提供参考。

1 计算模型

1.1 工程背景

长昆客运专线雪峰山3号隧道位于湖南省溆浦县九溪江乡至北斗溪乡境内，为时速350 km标准的双线隧道，隧道全长6 795 m，隧道最大埋深约为708 m。该隧道出现较大范围的炭质板岩，该类岩石为一种浅变质岩，主要由黏土质、粉砂质沉积岩或中酸性凝灰质岩石、沉凝灰岩经轻微变质作用形成，黑色或灰黑色，岩性致密，板状劈理发育。

1.2 计算模型

计算模型取水平方向为X轴，铅直方向为Z轴。计算范围:水平方向上以隧道中线为轴线向两侧各取80 m;竖直方向上取距离隧道中心50 m的地层为底部边界，向上取至地表，地表埋深根据隧道实际所处的地质条件取值。

1.3 计算参数

围岩材料采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，其力学参数根据现场测试并参考《铁路隧道设计规范》，具体见表1。

表1 地层材料力学参数

1.4 计算工况

参考雪峰山3号隧道地质资料，基于地应力、隧道埋深、围岩级别和开挖应力释放率四个方面建立了相应的计算模型。

现场对Ⅳ级围岩段的地应力测试结果表明:在孔深460 m左右，垂直应力为10.0～12.0 MPa，最大水平主应力约为16.0 MPa，最小水平主应力约为10.0 MPa，以水平构造应力作用为主，侧压力系数k0=σh/σv约为1.25。基于此，在考察地应力对隧道围岩变形分布的影响时，选取Ⅳ级围岩段，隧道埋深500 m的典型断面进行分析，不同地应力主要通过改变侧压力系数来考虑。

结合雪峰山3号隧道资料，隧道主要围岩级别可分为Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅳ级富水、Ⅴ级和Ⅴ级富水共5种，据此建立此5种围岩条件下的计算模型。

以往计算经验表明，不同开挖荷载释放率对围岩应力和位移分布影响很大，而且，不同开挖释放率对应着不同支护时机和支护条件。因此，主要针对Ⅴ级围岩，开挖释放率分别取40%、60%、80%和90%(分别表示隧道开挖后，围岩承担40%、60%、80%和90%的荷载，支护结构相应承担60%、40%、20%和10%的荷载)共4种情况进行计算。

具体计算工况见表2。

表2 计算工况

2 计算结果及分析

2.1 地应力的影响

考虑隧道受力变形的对称性，只选取隧道拱顶竖直向上沿线和左边墙水平方向沿线上的一些特征点进行具体分析。特征点位置示意如图1所示。以下所有分析中涉及的特征点位置均与此相同。

图1 特征点位置示意(单位:m)

图2 和图3分别为不同侧压力系数下拱顶沿线和边墙沿线地层特征点主应力分布曲线。图中主应力数值为负表示受压。

图2 拱顶沿线地层特征点主应力变化曲线

图3 边墙沿线地层特征点主应力变化曲线

图1 、图2、图3结果显示，隧道开挖后，各工况下的拱顶沿线和边墙沿线主应力变化规律相同，均表现为:第一主应力在洞壁处较小，随着距洞壁距离的增加而迅速增大，在某一距离处达到最大值，之后逐渐减小至初始主应力水平;第三主应力在洞壁处为0，随着距洞壁距离的增加而增大，最后稳定在初始应力水平。

随着侧压力系数的增大，拱顶沿线岩层主应力值增加，主应力波动范围增大。当侧压力系数k0由0.43增大到1.50时，拱顶沿线岩层第一主应力在洞壁处由－2.51 MPa变为－3.89 MPa，主应力最大值出现位置略有增加，但不明显，量值由－8.57 MPa变为－24.52 MPa。第三主应力也表现为类似的变化趋势，当侧压力系数k0为0.43时，应力值在0～－4.86 MPa间变化，侧压力系数k0为1.5时，应力值在0～－9.21 MPa间变化，相比增大约4.35 MPa。第一主应力波动区域主要发生在距洞壁5～10 m，第三主应力增大区域随侧压力系数的增加从15 m增大到20 m范围。与拱顶沿线岩层主应力相比，侧压力系数的变化对边墙沿线围岩的第一主应力影响较小，对第三主应力的影响较为明显，最大差值为6.11 MPa。

图4为拱顶沉降和水平收敛变化曲线，图5给出了拱顶沿线地层特征点位置垂直位移分布，图6为边墙沿线地层特征点位置水平位移分布，图中垂直位移均为负值，表示竖直向下;水平位移均为正值，表示水平向右，即都朝向隧洞内，以下同。

图4 拱顶沉降和水平收敛变化曲线

计算结果表明，隧道开挖后，隧道周边岩层向洞内产生明显位移，上述工况下隧道开挖引起的最大垂直位移为253.3 mm，最大水平位移为206.6 mm。随着距洞壁距离的增加，拱顶沿线地层垂直位移和边墙沿线围岩水平位移均迅速减小，在距离洞壁20 m左右趋于稳定。

图5 拱顶沿线地层特征点垂直位移分布曲线

图6 边墙沿线地层特征点水平位移分布曲线

不同侧压力系数下，位移相差明显，而且，越靠近洞壁，这样差异越大。侧压力系数由0.43增加到1.50时，隧道拱顶沉降由141.7 mm增至253.3 mm;水平收敛由153.5 mm增至413.2 m，增幅达2.69倍;仰拱隆起由110.8 mm增至243.1 mm。侧压力系数的增大，也意味着整体地应力的提高，因而，隧道开挖后的围岩变形和影响范围都明显增大。

2.2 隧道埋深的影响

限于篇幅，以下主要针对隧道开挖引起围岩变形进行分析。图7为不同埋深条件下隧道拱顶沉降和水平收敛变化曲线，图8为拱顶沿线地层特征点位置垂直位移分布，图9为边墙沿线地层特征点位置水平位移分布。

图7 拱顶沉降及水平收敛变化曲线

图9 边墙沿线地层特征点水平位移分布曲线

由图7、图8、图9可知，随着隧道埋深的增加，隧道洞周变形急剧增大，隧道埋深由200 m增加到600 m时，拱顶沉降、水平收敛和仰拱隆起量增幅倍数分别达6.8、5.4和6.6。随着距洞壁距离的增加，拱顶沿线地层垂直位移和边墙沿线围岩水平位移均迅速减小，垂直位移在距洞壁10 m左右，水平位移在距洞壁20 m左右均趋于稳定。不同隧道埋深情况下位移差异显著，而且，越靠近洞壁，这样差异越大，与不同侧压力系数下围岩变形规律相同。

2.3 围岩级别的影响

计算发现，隧道埋深为400 m时，5种围岩条件的计算中，仅有Ⅲ级和Ⅳ级情况下计算收敛，其他的则在开挖后围岩失稳破坏，计算不收敛。图10给出了拱顶沿线地层特征点位置垂直位移分布，图11给出了边墙沿线地层特征点位置水平位移分布。

图10 拱顶沿线地层特征点垂直位移分布曲线

图11 边墙沿线地层特征点水平位移分布曲线

由图10、图11可看出，围岩条件对隧道洞周变形影响很大。Ⅲ级围岩条件无支护隧道开挖，其拱顶沉降仅为29.5 mm，水平收敛仅为56.3 mm，其他条件相同的Ⅳ级围岩，其拱顶沉降和水平收敛分别为136.3 mm和239.2 mm，增幅倍数分别达4.6和4.3。随着距洞壁距离的增加，拱顶沿线地层垂直位移和边墙沿线围岩水平位移均迅速减小，对于Ⅲ级和Ⅳ级围岩，垂直位移和水平位移在距洞壁20 m左右时均趋于稳定。

2.4 开挖荷载释放率的影响

图12为不同释放率条件下隧道拱顶沉降和水平收敛变化曲线，图13为拱顶沿线地层特征点位置垂直位移分布，图14为边墙沿线地层特征点位置水平位移分布。

图13 拱顶沿线地层特征点垂直位移分布曲线

图12 、图13、图14结果表明，释放率在40% ～70%之间变化时，洞周变形稳步增加，之后随着释放率的进一步增大，变形急剧增加，出现明显的拐点。另外，拱顶沿线和边墙沿线地层变形随着距洞壁距离的增大而迅速减小，与前面所得规律一致。

图14 边墙沿线地层特征点水平位移分布曲线

3 结论

(1)各工况下，隧道地层变形规律相同，整体表现为随着距洞壁距离的增加，拱顶沿线地层竖向位移和边墙沿线水平位移均迅速减小，在某一距离处趋于稳定。

(2)不同地应力水平、隧道埋深、围岩级别以及开挖应力释放率对应的围岩位移变化幅度差异明显，而且，越靠近洞壁，这样差异越大。

(3)隧道拱顶沉降和周边收敛曲线在开挖应力释放率为70%～80%间突然增大，出现明显的拐点，可见，隧道开挖后支护时机尤为重要。

(4)隧道开挖后若尽早采用刚性支护，此时总体变形量较小，但意味着支护结构将承担很大的荷载，特别是对于地应力水平较高的情况，巨大的荷载作用可能导致支护结构破坏;若开挖后支护不及时，则可能导致围岩变形很大甚至引起坍塌，而且，变形量过大会导致隧道净空不够。因此，通过数值计算和监控量测结果的分析比较，合理确定支护时机和支护方案，是较为有效的变形控制方式。

[1]张 洋.隧道工程软弱围岩大变形控制体系研究[D］.成都:西南交通大学，2006

[2]赵旭峰.挤压性围岩隧道施工时空效应及其大变形控制研究[D］.上海:同济大学，2007

[3]黄林伟.软岩隧道大变形力学行为与控制技术的研究[D］.重庆:重庆大学，2008

[4]高世军.家竹箐隧道整治大变形的主要措施[J］.世界隧道，1998(1):52-56

[5]张献伟.木寨岭隧道炭质板岩段大变形控制技术[J］.隧道建设，2010，30(6):683-686

[6]TB10003—2005 铁路隧道设计规范[S］

[7]铁道第三勘察设计院.雪峰山3号隧道工程地质说明书[Z］.天津:铁道第三勘察设计院，2010

[8]铁道第三勘察设计院.雪峰山3号隧道地应力测试报告[Z］.天津:铁道第三勘察设计院，2010