基于应力释放的某隧道围岩变形破坏与加固措施的数值模拟分析
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作者:傅鹏
摘要：文章针对隧道围岩施工过程中遇到地质弱带等不利地质结构导致的变形破坏问题，采用有限元数值模拟手段，结合围岩开挖应力释放率分析方法，对某隧道拱顶围岩的变形破坏、支护加固措施的有效性开展了数值分析。结果表明：围岩变形线性增加拐点对应的应力释放率可作为支护措施施加的最优时机，此时的变形量值可近似作为围岩稳定的控制值；对围岩拱顶区域的地质弱带进行加固可有效减小围岩的变形量值，增加复合衬砌的强度安全裕度，保障隧道施工安全。
关键词：应力释放率；支护时机；衬砌强度；围岩变形；拱顶破坏
中图分类号：U456.3+1-A-38-120-3
0 引言
修建于我国西部地区的高速公路山岭隧道，其赋存环境往往具有地质条件复杂、节理断层发育、隧道穿越不利地质结构等特征，导致施工过程中隧道在穿越这些不利地质带时极易出现变形过大、甚至失稳破坏［1-2］。因而，如何控制围岩的大变形、合理确定支护时机、评价支护结构性能是保障隧道安全施工的关键问题。针对这些问题，多采用数值模拟方法开展相关研究，如钟乃龙、王峥峥等［3-4］通过数值模拟方法研究了隧道塌方破坏时在隧道拱顶的腔体形成规律和拱顶变形过程，并给出了对塌方形成的腔体的处理措施和支护方法；崔岚、任博等［5-6］分析了隧道施工过程中围岩发生大变形的演化过程、支护结构受力特征及其与变形间的相互作用规律，给出了围岩变形控制方法；伍国军、张子龙等［7-8］采用LDP方法（收敛―约束法）分析了隧道施工过程中形与支护结构的相互作用机制，给出了围岩最优支护时机的确定方法和支护措施的强度校核方法。这些研究为更好地分析隧道围岩的变形规律和支护措施的效果提供了坚实的基础。本文将借鉴这些研究成果，以某高速公路隧道在穿越地质弱带时出现的变形破坏为案例，在充分开展现场地质调查的基础上，分析导致变形破坏的主要因素，进而采用Phase2有限元分析软件，建立能反映隧道开挖过程和支护措施的数值分析模型，结合应力释放系数方法，分析隧道围岩变形演化过程与释放系数间的关系，由此给出最优支护时机的确定方法及其对应的变形安全控制值，进而分析复合衬砌、围岩加固、锚杆等支护措施对围岩变形的影响，并基于支护结构的安全裕度评价加固效果。研究成果可为同类工程问题的处理提供借鉴与支持，具有重要的工程意义。
1 围岩破坏与治理措施
某高速公路隧道开挖过程出现隧道拱顶变形坍塌破坏，导致在拱顶区域产生了长1 m、宽4 m、高4 m的空洞。通过现场调查发现：掌子面局部坍塌区域岩层岩性为强风化泥岩，且岩质较软，岩体破碎呈破碎裂状结构，完整性较差；节理裂隙等破碎带呈点状出水，水的出现导致泥岩遇水软化，进一步降低了围岩强度；隧道地表存在冲沟，常年富水，距隧道拱顶距离20～50 m，使隧道围岩含水量较高，泥岩弱化较为明显，导致隧道围岩稳定性存在较大风险。故认为：（1）隧道施工过程中遇到岩层变化出现弱带时，支护措施跟进不及时是出现该变形破坏的主要原因；（2）在后续施工中，特别是左洞随着开挖的深入，弱带层厚度越来越小，极易出现冒顶风险，应对该处及时采用强支护以保证施工安全。
2 数值模型与研究方法
2.1 数值模型
依据地质勘查和设计资料，建立隧道开挖的数值分析模型，模型尺寸见图1，采用三台阶开挖方式。数值分析时底部采用固定约束，两边采用法向约束，顶部自由，考虑重力影响，岩体力学参数取值见表1。支护措施为：超前小导管，纵向间距为0.5 m，22 b钢拱架的复合衬砌，25 mm的中空注浆锚杆，模拟支护参数按规范取值。
2.2 研究方法
根据围岩拱顶破坏特征和处理方案，主要开展两方面的研究工作：（1）采用控制围岩开挖应力释放率的方法研究右洞上台阶开挖过程中围岩的变形破坏过程；（2）将应力释放率与支护时机相结合，分析支护措施对隧道围岩稳定性的支护效果。
3 数值结果分析
3.1 围岩变形破坏过程分析
针对隧道右洞开挖上台阶过程中出现的拱顶变形破坏，采用围岩开挖应力释放率控制的方法模拟分析开挖变形破坏过程。
图2给出了在开挖右洞上台阶过程中，不同应力释放率下拱顶处变形的变化规律。由图2可知：隧道拱顶围岩变形量值随着应力释放率的增加而增加，表现为应力释放率在50%前围岩变形呈线性增加，之后随着释放率的增加变形量值急剧增加。通过变形量值与释放率的关系可发现，如不能在围岩变形的初期（释放率50%、变形量值为5.4 mm）对其进行及时支护，将导致隧道拱顶围岩的变形破坏发生，这与现场的破坏过程基本吻合。
图3为在不同应力释放率下围岩的塑性区分布范围。由图3可知：围岩塑性区在应力释放率为50%时，其范围约为6～9 m，在锚杆的加固范围内；当释放率为80%时，弱带岩体均处于塑性变形阶段，此时支护措施对控制围岩变形与破坏的效果将急剧降低。
3.2 支护效果分析
以前文研究成果为基础，采用释放率为50%作为最优支护时机，对隧道开挖过程进行模拟，研究支护措施对围岩稳定性的支护效果。
图4和图5分别为在应力释放系数为0.5时，隧道左右洞开挖完成后的位移分布图。由图4～5可知：拱顶围岩不加固，仅通过释放系数和支护时机对围岩变形进行控制，其开挖完成后右洞拱顶围岩最大变形量值约为14.3 mm，左洞拱顶围岩最大变形量值约为12.8 mm。当对锚杆支护区域的围岩进行灌浆加固后，右洞和左洞拱顶变形最大量值分别降为9 mm和8.1 mm，比不加固减小了30%左右。
图6和下页图7为采用复合衬砌强度验算方法绘制的混凝土衬砌的弯矩-轴力图。由图6～7可知：拱顶围岩不加固时，混凝土衬砌最小压-弯破坏安全系数为1，处于临界状态，而当对拱顶围岩加固后，压-弯破坏安全系数约为1.45，约增加了45%，极大提升了复合衬砌的支护安全裕度，可进一步保障隧道施工安全。
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4 结语
本文以某高速公路隧道右洞拱顶开挖过程中的变形破坏为研究对象，分析了可能导致破坏的地质和施工因素，采用数值模型方法分析了拱顶变形破坏过程，评价了强支护措施对隧道围岩的支护效果，得到如下主要结论：
（1）隧道开挖过程中应充分考虑围岩开挖应力释放对围岩变形破坏的影响，采用变形量值线性增加的拐点作为支护的最优时机，其对应的变形值可作为围岩稳定性的安全控制值。
（2）针对隧道拱顶存在弱带等不利地质时，既需采用强支护，又需对弱带进行加固，进而在控制围岩变形的基础上保障复合衬砌结构的安全和支o效果。
（3）通过数值模拟，结合应力释放系数控制，指出了研究案例应采用应力释放率为50%时对应的变形量值5.4 mm为最晚支护时机，明确了对弱带区域进行围岩加固有利于控制变形量值，提高复合衬砌的安全裕度，有效保障施工安全。
参考文献
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［5］崔 岚，郑俊杰，章荣军，等.软弱破碎带隧道围岩变形及初期支护受力分析［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2012，40（11）：53-57.
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［8］张子龙，姜谙男，吴洪涛，等.基于收敛-约束法和ZSI的隧道初期支护时机研究［J］.公路工程，2020，45（4）：41-47，73.
作者简介：
傅 鹏（1985―），工程师，主要从事高速公路管理工作。
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