高地应力软岩隧道超前导洞位置优化研究.pdf

・隧道／地下工程・高地应力软岩隧道超前导洞位置优化研究余霖（中铁十一局集团第四工程有限公司湖北武汉４３００７４）摘要以兰渝铁路毛羽山隧道为工程背景，利用数值模拟分析研究方法，优化研究超前导洞位于正洞的合理位置。通过建立超前导洞在不同位置的数值模型，从导洞开挖时的围岩变形情况、正洞扩挖后围岩变形情况及应力释放率三方面进行对比分析，研究了超前导洞位置对围岩变形的影响规律，确定了最优的超前导洞位置，以便结合监控量测数据指导高地应力软岩隧道施工。关键词高地应力软弱围岩超前导洞应力释放数值模拟中图分类号Ｕ４５５．４文献标识码Ａ———文章编号１００９４５３９（２０１６）０８００５９０４ＯｐｔｉｍｉｚｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＬｅａｄｉｎｇＨｏｌｅＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎＳｏｆｔＲｏｃｋＴｕｎｎｅｌＵｎｄｅｒＨｉｇｈＣｒｕｓｔａｌＳｔｒｅｓｓＹｕＩ＿ｉｎ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ“１１ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＦｏｕｒｔｈＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．１ａｄ．。ＷｕｈａｎＨｕｂｅｉ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴａｋｉｎｇＭａｏｙｕｓｈａｎＴｕｎｎｅｌｏｆＬａｎｚｈｏｕ－ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＲａｉｌｗａｙａｓｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒａｄｏｐｔｅｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｌｅａｄｉｎｇｈｏｌｅｐｏｓｉ－ｔｉｏｎｉｎｔｈｅｍａｉｎｔｕｎｎｅｌ．Ｔｈｒｏｕｓｈｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｏｆｌｅａｄｉｎｇｈｏｌｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｅｓｆｒｏｍｔｈｒｅｅａｓｐｅｃｔｓ，ｎａｍｅｌｙ，ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｉｔｕａｔｉｏｎｓｗｈｉｌｅｔｈｅｌｅａｄｉｎｇｈｏｌｅｅｘｃａｖａ－ｔｉｎｇ，ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｉｔｕａｔｉｏｎｓａｆｔｅｒｔｈｅｍａｉｎｈｏｌｅｅｘｃａｖａｔｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｓｓｒｅｌｅａｓｅｒａｔｅ，ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｉｎｆｌｕｅｎ－ｔｉａｌｒｕｌｅｓｏｆｔｈｅｌｅａｄｉｎｇｈｏｌｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｎｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｎｄｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＳＯａｓｔｏｇｕｉｄｅｈｉｇｈｃｒｕｓｔａｌｓｔｒｅｓｓｓｏｆｔｒｏｃｋｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎｄａｔａ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｈｉｇｈｃｒｕｓｔａｌｓｔｒｅｓｓ；ｗｅａｋｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ；ｌｅａｄｉｎｇｈｏｌｅ；ｓｔｒｅｓｓｒｅｌｅａｓｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ１引言“高地应力软岩隧道大变形控制是公认的世界”级难题，围岩变形速率增长快、变形值大、流变效应显著等¨‘２ｊ，常规的隧道开挖方法及支护方式不能有效地控制此类隧道围岩变形，国内众多学者运用数值、试验等方法已展开相关研究，在兰渝铁路毛羽山隧道先后开展高地应力软岩隧道超前导洞应力释放法（超前导洞＋扩挖）、无约束预留空间法——收稿日期：２０１６０５２７—基金项目：中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目（１３００３）铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ与柔性网罩预留空间法等变形控制技术的工程试验【３Ｊ。吴君Ｈｏ等结合广深港客运专线ＺＨ一２标百足地隧道的施工实例，采用数值模拟分析的研究方法，对大断面软弱围岩隧道开挖支护情况进行了施工过程的研究。邹狲ＨＪ、张民庆Ｍｏ等以兰渝铁路隧道为工程背景，研究高地应力软岩隧道施工变形控制方法。同时，国内众多学者同样以兰渝铁路隧道为依托工程开展对超前导洞应力释放法研究，张梅一Ｊ、武建广旧１等通过在兰渝铁路木寨岭隧道和毛羽山隧道进行超前导洞应力释放试验，得出了超前导洞法应力释放对大变形的控制作用，何磊一Ｊ、王∞更峰Ｊ、闫鑫¨驯等以在建的兰渝铁路木寨岭和毛羽２０１６ｍｌ５９万方数据・隧道／地下工程・山隧道为依托工程，综合运用理论分析、数值仿真、现场试验和数理统计等手段研究高地应力软岩隧道超前应力释放变形控制机理及技术。从上述文献资料可知，国内外已有众多学者对高地应力软岩隧道的超前导洞应力释放法基础理论及导洞断面和截面形式优化等进行了相关研究，但对超前导洞与正洞的位置关系的研究几乎没有，而开挖时，洞室不同部位的应力释放不同，不同位置的导洞对围岩变形有影响。因此，对超前导洞法的导洞位置进行优化分析具有重要意义。本文以兰渝铁路毛羽山隧道工程为背景，采用ＦＬＡＣ３Ｄ软件，基于弹塑性理论，对比分析不同导洞位置对高地应力软岩隧道围岩力学特性的影响。２工程概况２．１隧道情况毛羽山隧道位于甘肃省宕昌县临江铺乡，为双线铁路隧道，全长８５０４ｍ，隧道洞身通过的地层主要为三叠系中统板岩、板岩夹灰岩，三叠系下统板岩。洞内围岩多为炭质板岩，薄层状结构，岩层走—向基本与隧道方向平行，倾角７０９０。，受构造挤压影响，褶皱明显，层间结合差，且渗水较大。受变形影响，初支混凝土开裂、剥落，钢拱架发生扭曲、断裂，存在安全隐患，部分地段由于变形过大，导致侵限换拱。换拱照片如图１所示，变形主要特点为：（１）早期变形速率大，最大达到１４．７ｅｍ／ｄ，难以控制和处理；图１换拱施工（２）变形持续时间长，变形量大，最大单侧收敛达到１４０ｃｍ；（３）变形破坏力强，１２２和Ｈ１７５型钢钢架（１榀／０．５ｍ）均扭曲、错断；（４）变形受施工干扰大，施工时变形加速，停止施工后变形明显减缓。在隧道断面内设置超前小导洞，利用小导洞的可变形性，将地层高地应力提前释放，使正洞开挖时处于可接受的相对低应力状态，减少正洞支护刚度的投入，避免正洞钢架拆换。超前导洞参数为：铁道建筑技术（１）断面型式及开挖尺寸：采用７．６ｍ（宽）×４．５ｍ（高）曲墙断面（大跨７．７ｍ）。如图２所示。（２）导洞位置：中线拱顶以下２．５ｍ，距边墙３．５ｍ。（３）开挖长度：３０ｍ（含５ｍ锁口）。导洞采用全断面法施工，根据现场试验情况增设仰拱。（４）初期支护：采用架设１２０ｂ型钢钢架支撑，纵图２超前导洞位置图向间距１ｍ，喷２７ｃｍ厚网喷混凝土，增加书２２系统锚杆长２ｍ，布设间距：环向×纵向＝１．５ｍ×１．０ｍ，４ｍ长超前小导管。超前导洞应力释放正洞扩挖初期支护参数见表１。表１正洞扩挖支护参数预留变形钢架间网喷混凝量／ｅｍ支撑钢架系统锚杆备注距／ｍ土厚度／ｅｒａＨＷｌ７５拱部长度６ｍ，开挖采用４０Ｏ．５３３型钢边墙长度８ｍ三台阶法２．２工程地质掌子面以三叠系下统板岩（Ｔｓｌ）为主；青灰色，局部夹白色条带，变余泥质、钙质结构，薄层板状构—造（层厚２５ｃｍ），层间结合力较差，密闭节理裂隙较发育，主要发育一组节理，产状为Ｎ１５０一７５０Ｗ／—３００～６００Ｎ，为密闭节理，节理间距约２０５０ｃｍ，其中在ＤＫ２８５＋１２８附近节理产状为Ｎ７００Ｅ／６０。Ｎ，为密闭节理，节理间距约３０～５０ｃｍ。弱风化，岩质较软，岩体较完整一较破碎，呈层状、块状结构。掌子面湿润，拱顶局部有渗水，水量不大。掌子面构造迹象明显，局部有扭曲。围岩自稳能力较差，拱部及边墙有掉块。大致以节理裂隙分界，下部岩层产状为Ｎ４５０一７５０Ｗ／７５０一８５。Ｎ，上部岩层产状为Ｎ３００一６００Ｗ／８００～８５０Ｓ，岩层走向与洞轴线夹角６～３６０。图３为掌子面围岩图。图３掌子面围岩ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６ｆＤ８Ｊ万方数据・隧道／地下工程・３数值模拟优化分析为了研究位于不同高度的超前导洞在施工过程中围岩的变形、应力及塑性区域发展情况，本文采用有限差分软件ＦＬＡＣ３Ｄ，分别建立超前导洞距正洞拱顶不同高度的模型（１．５ｍ、２．５ｍ、３．５ｍ、４．５ｍ和５．５ｍ），基于弹塑性理论进行对比优化分析。３．１计算模型隧道埋深约４３０ｍ，考虑模型影响范围，取地面下４００ｍ为模型上边界，下边界至洞室底取为３倍的毛洞高度，右边界至洞室边界取为３倍的毛洞宽度，整个计算模型的区域为１２０×ｌ×１００ｍ３。模型有３６５３个单元，７５１４个节点。模型左右边界约束水平方向，下边界约束竖直方向，上边界施加上部４００ｍ岩层的自重应力均布荷载【１１。１２Ｊ。岩体弹塑性破坏准则采用的是摩尔一库仑准则。数值模型如图４所示，右边图形为模型局部放大区域。ａ．完整模型ｂ．局亩：放大区域图４数值模型模拟开挖工序为：超前小导洞，正洞上台阶扩挖，正洞中台阶扩挖，正洞下台阶扩挖。３．２计算结果分析不同位置的导洞开挖引起正洞拱顶沉降及水平收敛的变形曲线分别如图５和图６所示。３量；萋；耋１导洞距正洞拱顶距离／ｍ图５不同位置导洞开挖引起正洞各台阶处的水平收敛值从图中可知，超前导洞的开挖，引起周边围岩应力释放，围岩产生变形，其中拱顶下沉与上台阶水平收敛受导洞开挖位置影响明显，当导洞距离正洞拱顶为２．５ｍ时，正洞拱顶下沉及上台阶水平收敛值最大，并且随着导洞距离正洞拱顶距离加大，变形值减少，即正洞拱部仅有部分应力得到释放，由其当距离达到４．５ｍ后，拱部变形的变化不明显。另外正洞的中台阶与下台阶的水平收敛受导洞位置变化的影响较小，尤其是下台阶，但与上台阶规律一样，在距离为２．５ｍ时，收敛值最大。因此，超前导洞位于正洞拱顶下方２．５ｍ处，引起围岩的应力释放效果最明显，尤其是正洞拱部位置。不同导洞位置引起的丁Ｆ洞变形结果见表２。２５９２０煮１５卜１０姜ｓ０导洞距正洞拱顶距离／ｍ图６不同位置导洞开挖引起正洞拱顶下沉值表２超前导洞开挖后正洞变形收敛／ｃｍ导洞位置拱顶下沉／ｃｍ上台阶中台阶下台阶１．５１３．３０８２０．７５４１５．８１５１１．６９２６２．５２３．４３１．３０６２３．６３４１６．９９ｌ２３．５１５．９３ｌ２５．０５６２２．５６４１６．６９７４４．５７．９８２１１１．４５８１３．８１５１２．１５９８５．５８．４９５７１３．４１８２１８．８２３１５．３４１２在本文数值计算中，正洞扩挖后的围岩的实际变形为正洞扩挖后的总变形减去超前导洞开挖引起的围岩变形。图７为不同导洞位置下，正洞扩挖后洞室关键部位的实际变形值。从图７中可知，导洞距正洞拱顶２．５ｉｎ时，变形值最小，中台阶与下台阶的水平收敛随着导洞与正洞拱顶距离的增加而增加；上台阶水平收敛随距离增加呈正弦曲线形式；拱顶下沉值在距离大于２．５ｎｌ后缓慢增加，说明应力释放效果随着超前导洞位置的下移而渐渐减弱，作用不明显。不同导洞位置下正洞关键部位变形值汇总见表３。从表３中可知，下台阶的收敛值与不采用导洞法开挖时的变形值近似，特别导洞在５．５ｍ时，下台阶收敛值还要略高于正常三台阶开挖，上台阶受超前导洞应力释放影响的效果最大。本文采用通过超前导洞法开挖与常规三台阶法开挖引起围岩变形的比值来反映应力的释放程度【３Ｊ。定义应力释放率为：铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ∞２０１６｝６１万方数据・隧道／地下工程・Ｒ＝学×１００％’（１）低效果硼显麒是下鲥处。’式中，６为常规法开挖引起的围岩变形值（ｃｍ）；６为采用超前导洞法开挖引起的围岩变形值（ｃｍ）．ｇ；蠢，Ｉ耋｛１导洞距正洞拱顶距离／ｍａ．上台阶水平收敛１吕１未１掣啦荽导洞距正洞拱顶距离／ｍｂ．中台阶水平收敛导洞距正洞拱顶距离，ｍ导洞距正洞拱顶距离／ｍｄ．拱顶下沉图７不同导洞位置下的正洞关键部位变形值表３不同导洞位置下正洞关键部位变形值收敛／ｃｍ导洞位置拱顶下沉／ｅｒａ上台阶中台阶下台阶１．５２３．３１３１９．８１８６４．１５７８９．６９７４２．５２０．４４９１５．９４２５７．３０４９０．０６６８３．５２３．６１４１７．０４５９．０６２８８．９４０６４．５２６．２０３９２０．１１８６３．１４９９７．５１４２５．５３２．５１５３１６．６３５８７３．３９９１０６．６１４８无导洞５２．１７２５６．２５６８３．７０６１０１．５７６根据式（１）和表３，可计算得到正洞关键部位的应力释放率，见表４。从表４中可知，拱顶和上台阶处的应力释放率较大，其中导洞距正洞拱顶２．５ｍ时的上台阶有最大应力释放率，为７１．７％，中下台阶应力释放率较铁道建翁技术表４不同导洞位置下关键部位的应力释放率％导洞位置拱顶上台阶中台阶下台阶１．５５５．３１５１１２６４．７７１７５８２３．３５４３５９１１．６９４３２．５６０．８０４６４６７１．６６１６８９３１．５４１３４７１１．３３０６３３．５５４．７３８１７４６９．７０９８９８２９．４４１１３９１２．４３９３６４．５４９．７７４０１７６４．２３８４８１２４．５５８５７４３．９９８７７９５．５３７．６７６７２３７０．４２８３９９１２．３１３３３５—４．９６０６２４结束语本文通过数值模拟分析，得到以下结论：（１）超前导洞法使得围岩得到一定程度的应力释放，从而降低正洞扩挖时围岩的变形，其中效果最显著的是位于正洞拱顶及上台阶部位，而对中下台阶水平收敛影响很小。（２）应力释放降低正洞扩挖后围岩变形的效果随着超前导洞至正洞拱顶的距离增加而减小，其中最优位置位于正洞拱顶下方２．５ｍ处。参考文献［１］王梦恕．中国隧道及地下工程修建技术［Ｍ］．北京：人—民交通出版社，２０１０：５６３５６８．［２］汪伟．高地应力软岩隧道连拱大跨段施工技术［Ｊ］．—铁道建筑技术，２０１４（ＳＩ）：１４８１５１．［３］王更峰．炭质板岩蠕变特性研究及其在隧道变形控制中的应用［Ｄ］．重庆：重庆大学，２０１２．［４］吴君．大断面软弱围岩隧道开挖支护模拟分析［Ｊ］．—铁道建筑技术，２０１４（２）：４０４２．［５］邹狮，张民庆，李沿宗，等．高地应力软岩隧道施工变形控—制方法试验研究［Ｊ］．隧道建设，２０１２（１）：５１０，３１．［６］张民庆，黄鸿健，何志军，等．高地应力软岩隧道释放一约束平衡法控制变形技术［Ｊ］．铁道工程学报，２０１３—（３）：５０５７，７６．［７］张梅，何志军，张民庆，等．高地应力软岩隧道变形控制设计与施工技术［Ｊ］．现代隧道技术，２０１２（６）：１３－２２，６９．［８］武建广．高地应力炭质板岩隧道超前洞室应力释放试—验研究［Ｊ］．西部探矿工程，２０１６（４）：１８２１８４，１９０．［９］何磊．兰渝铁路高地应力隧道变形控制的几点体会—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（８）：５９６３．［１０］闫鑫．高地应力软岩隧道超前应力释放变形控制机理及技术研究［Ｄ］．北京：中国铁道科学研究院，２０１２．［１１］熊晓晖．富水深埋＇ＩＢＭ斜井围岩卸荷特性研究［Ｄ］．重庆：重庆大学，２０１５．［１２］陈育民．ＦＡＬＣ／ＦＬＡＣ３Ｄ基础与工程实例［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００９．ＲＡｆＬＷＡＹｃ０ＮＳ丁开ＵＣ丁『Ｏ～丁Ｅ－ＣＨＮ０ｌ０Ｇｙ２０１６棚Ｊ万方数据