深埋大型隧道围岩稳定性研究

 高德山   ,邓延平

广东交科检测有限公司

摘要通过数值计算和现场监控量测，研究南昆山隧道在深埋条件下通过断层破碎带的围岩稳定性。研究表明：选择典型断面开展数值计算和监控量测工作是必要的，通 过两者之间的验证、比对、调整，可以采用相同数值模型对其它断层破碎带进行超前模 拟计算，了解深埋条件下围岩稳定状态，实现对施工工艺、支护参数的动态调整。断层破碎带段采用现有的施工工艺和支护参数是可行的，围岩变形可控，支护结构的支护效 果显著，围岩基本稳定。

关键词深埋大型隧道稳定性数值计算监控量测

1引言

目前，新奥法(NATM)在我国的公路隧道设计和施工中已得到广泛的应用，尤其是大型公路隧道(1-3)。新奥法是把设计、施工与监测二者结合为一体，通过施工过程中的监控量测来动态调整设计、施工参数。目前大部分交通隧道是参考相关规范和已建工程的参数进行的，因此，监控量测工作是验证设计、施工和围岩稳定与否的眼睛，是确保施工安全、稳定的重要手段，伴随着施工的全过程，是新奥法构筑隧道非常重要的一环(4-5)。

对于深埋大型隧道的施工，监控量测具有重大的经济意义和实际应用价值，因为科学合理的监控量测工作可以迅速、准确的获取第一手实际量测数据，在对这些数据处理和分析的基础上，能及时提供隧道变形情况及其稳定状态。

采用以新奥法为理论基础的复合式衬砌隧道，把衬砌结构和围岩看作一个整体，充分考虑和利用围岩的自承能力，按共同变形理论计算隧道围岩压力和衬砌结构内力。然而，对于大型隧道而言，由于其长度较长、地质条件复杂，开挖和支护交错进行，使得围岩应力变化和支护荷载转换变得较为复杂，试图完全套用经验和规范来全面揭示地下工程问题往往是不可能的。在此背景下，基于一定数学模型的数值模拟技术，以其独特的优点，广泛应用于此类工程中。

总之，对于新奥法施工的深埋大型隧道，通过数值  计算来分析施工过程中围岩的变形、支护结构的应力应.变状况，以便模拟设计条件隧道的整体稳定。同时，为了掌握隧道施工过程中隧道的安全状态及其稳定性，必须对隧道进行监控量测，以此真实掌握围岩的变形、受力以及初期支护、二次衬砌的状态。实际上这两种方法

又可相互映证、相互辅助，前者则通过数学模型模拟得到与施工相似的参照模型，定性的指导施工，后者是从现场获得实测数据，直接服务于实际施工。

本文以南昆山隧道为背景，通过数值计算和典型断面的监控量测，来研究深埋大型隧道的整体稳定性。

2南昆山隧道概况

2.1工程概况

南昆山隧道作为惠清高速公路的控制性工程，隧道左洞长4222米，右洞长4148米，为双向六车道特长隧道。属特长、大断面、深埋、高地应力隧道。该隧道地处南昆山国家级自然保护区和生态严控区，环境保护难度大；地质条件复杂，施工风险高，施工技术难度大，穿越多条断层破碎带、岩性不整合接触带以及溶蚀地层，涌水、突泥灾害频发，日最大涌水量达1万立方，属于断块差异活动区，断裂构造发育，多以挤压性片理带、裂隙密集带、破碎带及部分构造角砾岩带等出现。隧道区地下水主要为风化基岩中的裂隙-孔隙水和构造裂隙水；洞身围岩主要为加里东期侵入岩花岗岩以 及侏罗系下统或中统粉砂岩、砂岩类。隧道围岩从洞口向里依次为V、IV、Ⅲ和Ⅱ级；隧道场区地质构造条件相对稳定，但隧道在不同埋深下先后穿越7条断层破碎 带，破碎带宽度在4~35m之间，破碎带中岩体松散、破碎，自稳能力差，遇水软化，施工中极易发生坍塌、冒落和突水等事故。

2.2施工概况

南昆山隧道采用新奥法设计和施工，钻爆开挖采用光面爆破技术，以减少爆破震动对围岩的震动和损伤。本文以断层F11(里程ZK54+362~ZK54+386,埋深661~ 673m)为例，研究深埋南昆山隧道围岩的稳定性。

此段围岩隧道采用单侧壁导坑法开挖，开挖步序是I、Ⅱ导洞交错开挖若干米后，Ⅲ、IV导洞再跟进，开挖步序如图1所示：

图1F11断层段开挖步序图

其施工步骤为：

第一步： I 导洞开挖，并施做初期支护、临时支 护、临时仰拱、锁脚锚杆；

第二步：Ⅱ导洞开挖，并施做初期支护、临时支护、临时仰拱、锁脚锚杆；

第三步：Ⅲ导洞开挖，并施做初期支护、临时支护、锁脚锚杆；

第四步：IV导洞开挖，并施做初期支护、临时支 护、锁脚锚杆；

第五步：施做临时支护和二衬。

实际施工过程中，单循环开挖进尺均为1.6m,I、Ⅱ导洞超前10m左右。

F11断层段围岩的支护参数如下：φ42超前小导管注 浆支护，环向间距40cm,长5.2m,10°角(数值计算中 没有考虑小导管);初期支护为喷C25混凝土，厚度 25cm;φ8钢筋网，间距20cm×20cm; 拱部及边墙设置 φ22早强药包锚杆，长3.5m,梅花形布置，间排距 0.8m×0.8m;I18钢拱架支撑，纵向间距80cm;二次衬砌现浇C25钢筋混凝土，厚度为45cm。仰拱开挖后喷 C25混凝土22cm,4×φ22格栅支撑，H-15cm,纵向间

距80cm,现浇C25钢筋混凝土45cm。

3数值计算

本数值计算选用了美国Itasca顾问有限公司开发的FLAC3D软件。该软件经国内外广大用户的使用，已证明其结果有充分的可靠性和合理性。为了分析围岩的稳定性，研究支护的效果，模型选取断面ZK54+360为研究对象进行数值计算。此断面处隧道埋深为665m,平行左右隧道间距48m,这里近似取左侧单洞进行研究。三维计算模型如图2所示：

本次模拟严格按照真实的地质条件，选用Mohr-coulomb强度准则进行计算，模拟施加初期支护后隧道围岩的变形及受力情况，计算所用围岩的物理力学参数

图2三维数值计算模型图

如表1所示：

表1围岩物理力学参数表

参数	中风化花岗岩
弹性模量(MPa)	70
粘聚力(MPa)	2.5
摩擦角(°)	22
泊松比v	0.23

锚杆计算参数如表2所示：

表2锚杆参数表

参数	锚杆
弹性模量(CPa)	45
横截面积(m²)	3.801e-4
水泥浆外圈周长(m)	0.069
抗拉强度(kN)	180
水泥浆刚度(Mpa)	19
单位水泥浆粘结力(MPa)	2
水泥浆的摩擦角(°)	45

钢支撑计算参数如表3所示：

表3钢支撑参数

参数	钢支撑
弹性模量(GPa)	200
横截面积(m²)	1.29e-2
泊松比v	0.25
惯性矩ly	485.6e-3
惯性矩Iz	11.7e-3
极惯性矩J	0

隧道开挖初期支护施加后，数值计算结果如图3、图4、图5、图6和图7所示：

由图3竖向位移的计算结果可以看出，隧道开挖施  加初期支护后，竖向位移的变化情况比较简单、稳定，最大的沉降发生在拱顶部位，最大沉降值为-35.2mm,竖向最大位移为46mm,发生在隧道底部。垂直位移云

图表明，隧道开挖施加初期支护后垂直位移量较小，说明初期支护的支护效果显著。

图3垂直位移云图

图4  竖向应力云图

图5  水平向应力云图

由图4、图5的竖向应力云图和水平向应力云图的计算结果可以看出，隧道上部初期支护受竖向压应力作用，没有明显的拉应力区，初期支护结构所受压应力较小，其最大压应力仅为0.41MPa,  远小于初期支护结构 的支护抗力，支护结构具有足够的安全储备，满足围岩稳定的要求。隧道开挖施加初期支护后，水平向受拉应力区域主要集中在隧道四周，但拉应力值均较小，最大拉应力只有73.2kPa。

由图6的围岩塑性变形的计算结果可以看出，隧道开挖施加初期支护后，围岩只有少量区域进入塑性变形区，且塑性变形区集中在两拱脚和两边墙位置。

图6围岩塑性变形图

由图7的锚杆内力的计算结果可以看出，隧道开挖施加初期支护后，锚杆都不同程度的受拉，拉力值总体较小，最大拉力值为14.57kN,远小于锚杆的抗拉强度， 且受拉范围都大于水平向拉应力的作用范围，表明锚杆  起到传递支护抗力的作用，支护效果显著。

图7锚杆内力图

4监控量测

监控量测工作是为了掌握围岩动态和支护结构工作 状态，利用量测结果检验设计的合理性并指导施工，预见险情及事故，以防患于未然。隧道施工监控设计依据中华人民共和国行业标准《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)和《公路隧道施工技术规范》(JTGF60- 2009)。泰宁隧道实时监测的主要内容为拱顶下沉量和围岩压力(-”。

4.1拱顶下沉

在初期支护混凝土喷射完毕并固结后，按图8所示位置将带挂钩膨胀螺丝安设在拱顶处，测点在避免爆破作业破坏的前提下，尽可能靠近工作面埋设，后视点应布设在距离观测点3倍洞径以外的稳定点处；测量时将钢尺挂在拱顶测点，读钢尺读数，同时读取后视点标尺读数；测量仪器采用莱卡高精度水准仪、平板测微器，最小读数0.01mm,量测精度±0.06mm。

图8监测点埋设剖面图

拱顶沉降监测结果如图9所示：

图9拱顶沉降一监测时间曲线图

由图9所示拱顶沉降监测结果可知，I导洞的拱顶 沉降较大，累计为33.1mm,Ⅱ导洞的较小，为17.4mm; 与数值计算结果近似。I、Ⅱ导洞的拱顶沉降量均随相应导洞的开挖而呈阶梯状增大，其中，I导洞有两次阶梯增大的过程，分别是Ⅱ、Ⅲ导洞开挖通过监测断面导致的。由此表明，I导洞的拱顶是变形最大，稳定性最

差，最容易坍塌的部位，同时，Ⅱ导洞的开挖通过对其

影响最大，是应该加强支护和监控量测的重点部位。IV

导洞开挖通过，跟踪监测结果表明，I、Ⅱ导洞的拱顶

沉降均呈明显收敛趋势，与数值计算结果相同，围岩在

现有支护条件下基本稳定。

4.2围岩压力

在初期支护的钢拱架架立好以后，将待测围岩压力部位的围岩表面凿平或用水泥砂浆抹平，以使压力盒能与围岩充分接触，然后用预制混凝土垫块将压力盒垫牢、固定，将导线沿钢拱架引至边墙距墙角1.5m高处， 线头从预埋的铁盒中引出，埋设时将压力盒编号与测试点编号所对应位置做好记录；量测仪器采用振弦读数仪；测点布设在量测断面的拱顶和左右拱肩处，具体布设如图8所示。

围岩压力监测结果如图10所示：

图10围岩压力一监测时间曲线图

图10表明，监测点处的支护结构都受压，没有明显

的拉应力区；I、Ⅱ导洞拱顶部位的累计压应力分别为

0.48MPa和0.40MPa,拱肩压应力较小，均小于

0.25MPa,与数值计算结果基本接近。可见，相对支护

结构的承载能力此压力值并不大，远小于计算和设计的

支护结构的承载应力。

由图10可以看出，当Ⅱ、Ⅲ、IV导洞开挖通过后， 围岩压应力值的上下变化波动较大，慢慢的压力值的波动又趋于平缓且逐渐变小。究其原因，是随着导洞开挖的向前推进，作为一个整体支护结构的受力状态不停的调整改变，所以表现为压应力值的较大波动；同时，由  于主要承载部位拱顶在受力后表现为应力集中，但伴随着支护结构的调整变形，拱顶压应力的集中效应慢慢减弱，压力慢慢相对较均匀的作用在整个支护结构上，所以拱顶的压应力宏观上表现为稍微减小。由压力的较大波动到慢慢的趋于平稳和下降的趋势同样可以看出支护结构起到了显著的支护效果，围岩基本稳定。

5结论

(1)在深埋大型隧道施工中选择典型断面开展数值

计算和监控量测工作是必要的，

表1方案综合比较表

项 目	方案1	方案2
地质条件	相当	相当
平纵面线型	好	一般
隧道施工难易程度	难	较难
隧道通风投资规模	大	较小
隧道施工及运营排水	好	一般
隧道两端接线施工难易程度	一般	困难
路线运营条件	好	一般
工程投资	稍贵	/
社会效益	好	一般

3设计体会

(1)山区高速公路所处于地质、地形条件非常复杂， 路线可选方案多，设计中应通过工程规模、地形、行车安全、交通条件和施工便道、其他工程及设施干扰等影，响因素进行综合比较。

(2)本工程牛岩山隧道洞口两端的接线地形相对高差较大，路线方案的比选要从大型构造物位置的合理性、 工程的经济性、施工的可行性等方面考虑。

(3)南昆山隧道出口的山体坡面陡峻，交通条件差， 为减小施工难度，降低工程造价，布线时要尽可能考虑施工的要求。

(4)本项目在大目溪沟谷段落雨雾天气较多，对公  路营运及行车安全有影响，隧道方案的确定要充分研究 本地区气候条件。

(5)通过两者之间的验证、比对、调整，可以采用相同数值模型对其它断层破碎带进行超前模拟计算，了解深埋条件下围岩稳定状态，实现对施工工艺、 支护参数的动态提前调整，环境、隧道线位选取要从充分考虑路线与地形、的协调，尽量减少对大自然的破坏。

(6)理论研究及工程实践证明，南昆山隧道深埋断层 破碎带区段采用现有的施工工艺和支护参数是可行的， 围岩变形可控，基本稳定，支护结构受力普遍均匀，具有足够的安全储备。

(7)南昆山隧道围岩稳定性研究表明，通过现场监控量测和数值计算相结合的手段研究深埋隧道穿越断层破碎带地区围岩的稳定性是可行而有效的。

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