各向异性软岩隧道围岩蠕变特征及支护方案对比分析

张海洋，徐文杰，王永刚

(1.核工业北京地质研究院中核集团高放废物地质处置技术重点实验室，北京 100029；2.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084；3.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730030)

中国层状结构的沉积岩、变质岩覆盖区域高达77.3%[1]，这类岩石通常具有各向异性特征，并且易导致隧道围岩发生显著的长期变形[2]。深埋隧道处于高地应力环境中，开挖和初期支护形成的低围压、高应力差使围岩及支护结构稳定性极差，出现挤压流变破坏，直接影响其长期服役性能[3]。为此，国内开展了大量现场监测[4-5]和开挖支护技术研究[6]，并借助有限元[7]、有限差分法[8]等数值方法研究围岩与支护结构的相互作用机理，因地制宜地选择支护形式和工程处理措施。

木寨岭隧道在施工过程中遇到了喷射混凝土开裂、剥落，初期支护失效、局部二次衬砌开裂等典型的软岩隧道大变形问题[9]。本文考虑围岩各向异性及蠕变特征，采用有限元模拟分析了衬砌及锚杆对围岩的支护作用，比选较优的施工支护方案。

1 工程概况

兰渝铁路木寨岭特长隧道地质条件复杂，其中DK177+700—DK192+170段以软质板岩为主，夹炭质板岩，约占隧道总长的46.53%。软岩段最大埋深(600 m)处以水平构造应力为主，最大水平主应力为20～25 MPa，方向与隧道轴向(N30°～40°E)基本一致。

图1 2种方案的施工工序

软岩段采用复合式衬砌，设计了2种开挖支护方案，施工工序见图1。初期支护采用喷锚支护，其中R32N自进式锚杆长4.5 m；C30喷射混凝土厚33 cm。二次衬砌采用C35钢筋混凝土，仰拱填充层为C20混凝土。在方案2中初期支护和二次衬砌之间增设轻质混凝土缓冲层。

2 数值模型

2.1 数值模型的建立

木寨岭隧道衬砌内轮廓高达10.17 m，以隧道中心向外4倍洞径作为计算区域，上下台阶开挖以2 m为一个进尺，沿洞轴线方向(y方向)取32 m，即16个施工循环长度，建立以隧道为中心的80.8 m(长)×32 m(宽)×80.8 m(高)的长方岩体计算模型(图2)。锚杆采用二节点三维桁架单元(T3D2)模拟，划分网格长度为0.5 m。

图2 木寨岭隧道计算模型

为模拟隧道开挖过程中的应力释放效应[10]，利用温度场变量控制材料参数，在隧道各段开挖前将该段开挖单元的弹性模量降低30%。隧道挖通并支护完成后进行30年的围岩蠕变计算。

2.2 模型材料参数

围岩的弹性部分采用Engineering Constants模型，塑性部分则以金属塑性模型为基础，自定义平均主应力(σ1+σ2+σ3)/3为一个场变量，并令屈服应力与平均主应力成线性关系，模拟岩石塑性特征。

建立材料局部坐标系，以反映该区域炭质板岩的横观各向同性。隧道围岩塑性模型计算参数(表1)和蠕变模型计算参数(表2)根据长期蠕变监测结果反演获得。需要开挖的内洞为弹性材料，且弹性模量与围岩弹性模量相同。 表 1 中R11，R22，R33，R12，R13，R23均为各向异性屈服应力比。屈服应力、塑性应变与平均应力场变量呈线性相关关系。表2中Q11，Q22，Q33，Q12，Q13，Q23均为各向异性蠕变应力比，在横观各向同性模型中Q11＝Q22，Q13＝Q23。

支护结构包括锚杆和混凝土衬砌。锚杆弹性模量为 210 GPa，泊松比为 0.3，密度为 7.85×103kg/m3。混凝土衬砌与围岩密度均为2.3×103kg/m3，采用D-P破坏准则。混凝土衬砌的材料参数依赖于温度场变量。温度场变量为0时该部分为岩体，为1时该部分采用开挖前岩体应力松弛时的弹性模量，为2时该部分为混凝土衬砌。

表1 隧道围岩塑性模型计算参数

表2 隧道围岩蠕变模型计算参数

3 计算结果分析

以双层衬砌支护方案为代表分析应力和变形特征。

3.1 围岩应力和变形特征

隧道开挖卸荷，左右两边墙均发生向洞内的厘米级的水平位移。洞底出现不均匀的竖直向上位移，最大值位于仰拱中心及左右边墙底部；最大沉降位于拱顶中心两侧。随着支护逐渐完成，两项位移的最大值都有所减小。蠕变期间洞周围岩持续变形，受水平向构造应力的挤压，竖直位移以向上为主，最大值出现在拱顶，竖向位移场向岩层层理面方向偏转。

根据不同阶段隧道围岩应力分布图(见图3)，隧道开挖后应力发生大范围重分布，且受岩层产状影响，最大值约为23.8 MPa，出现在研究区域右后下方。后续支护结构施工使洞周应力有所减小，随后续开挖又逐渐增大。蠕变期间围岩蠕变起到了应力松弛的效果，应力逐渐减小，隧道底部应力减小得最明显。

图3 不同阶段隧道围岩应力分布(单位:Pa)

3.2 支护结构应力和变形特征

不同阶段二次衬砌应力分布见图4。可见:二次衬砌支护刚结束时其大部分处于受压状态，最大压应力普遍在10 MPa左右；随着施工进行和蠕变，围岩作用在衬砌上的力越来越大。最大值出现在二次衬砌边墙底部与仰拱填充交界处的应力集中区，由施工结束时的84 MPa发展为蠕变30年时的192 MPa。

不同阶段锚杆最大主应力分布见图5。可见:最大主应力以拉应力为主，且远远高于混凝土衬砌应力。最大主应力出现在拱顶两侧角点区域，其值约2.30 GPa。支护结束时该处锚杆最大主应力达到2.55 GPa。围岩长期蠕变使锚杆拉应力明显增加。蠕变30年时，除最上部拱顶和最下部边墙底部锚杆拉应力较低外，其余部位锚杆拉应力在1.14～3.55 GPa，均发挥了显著支护作用。与混凝土衬砌类似，受围岩各向异性影响，左侧锚杆应力略高于右侧。

图4 不同阶段二次衬砌应力分布(单位:Pa)

图5 不同阶段锚杆最大主应力分布(单位:Pa)

4 2种支护方案效果对比

施工阶段方案2围岩应力低于方案1。蠕变期间2种方案围岩应力均有所降低，初期支护应力变化不大，二次衬砌应力均有不同程度提高。但方案2中二次衬砌应力始终小于方案1，即支护结构更安全。锚杆应力增量很大，尤其在方案2中锚杆在蠕变期间支护作用得到充分发挥。方案2围岩位移、衬砌和锚杆的水平位移均大于方案1，总体而言围岩蠕变发展程度高于方案1。

为了更直观地展示开挖支护后隧道的长期变形，选取第7进尺段二次衬砌临空面上的左拱腰、拱顶左侧、拱顶、拱顶右侧、右拱腰共5个关键点，对比2种方案蠕变期间的位移，见图6。可见:两者拱顶水平位移相差不大，但越接近拱腰，不仅水平位移变大，而且2种方案之间的差距也越来越大，最大相差3.42 cm。受水平方向强烈构造应力的作用，蠕变30年时关键点竖向位移均向上。同时受岩层产状影响，2种方案竖向位移由大到小依次是拱顶＞拱顶左侧＞拱顶右侧＞右拱腰≈左拱腰。方案2中关键点竖向位移小于方案1，拱腰处相差较小，越接近拱顶相差越大，最大相差3.81 cm。蠕变5年时，水平向蠕变变形量已达到最终变形量(蠕变30年)的90%左右，竖向蠕变变形量则达到最终变形量的85%以上。

图6 2种方案蠕变期间的位移对比

5 结论与建议

本文对比分析了木寨岭隧道炭质板岩(Ⅴ级围岩)段在2种开挖支护方案下施工及长期蠕变期间围岩、支护结构的应力和变形特征。主要结论如下:

1)围岩与支护结构中的应力分布和变形特征很大程度上受水平方向强烈构造应力和岩层产状的影响。

2)炭质板岩蠕变会降低围岩中的应力，衬砌和锚杆的应力则有大幅增加。蠕变导致洞周围岩松弛，同时有更大的力作用在支护结构上，从而为软岩隧道长期运营带来隐患。

3)在初期支护和二次衬砌之间增设轻质混凝土缓冲层有利于隧道围岩应力和变形的调整，可有效降低支护结构受力，从而充分发挥二层衬砌与锚杆的长期支护作用，更适用于高地应力条件下长期流变特征明显的软岩段隧道支护。