施工扰动和孔隙水压力对深埋隧洞开挖预留量的影响_周凤印.pdf

第 40 卷第 5 期2023 年 5 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.5May 2023收稿日期:20220715作者简介:周凤印(1984)，男，河南郑州人，高级工程师.(1225562087 )*通讯作者:汪先国(1987)，男，湖北广水人.(xianguow )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.05.023施工扰动和孔隙水压力对深埋隧洞开挖预留量的影响周凤印1，汪先国*2，于远祥3(1.郑州地铁集团有限公司，河南郑州450008;2.中铁十一局集团城市轨道工程有限公司，湖北武汉430000;3.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安710054)摘要:为了防止隧道开挖后围岩过度变形后发生侵限现象，需要在围岩与支护结构之间预留合理的变形空间，以允许围岩产生适度塑性变形来充分发挥围岩的自承载能力。以陕西安岚线某在建深埋公路左线隧道 ZK86+405 断面级围岩作为研究对象，监测了该断面拱顶及各台阶左右侧墙的变形状况。基于现有弹塑性力学理论，建立了地下孔隙水作用下的深埋隧洞围岩弹塑性力学计算分析模型。考虑孔隙水压力与施工扰动对围岩强度及变形的综合影响，推导了施工扰动条件下深埋隧洞开挖后含水围岩应力及位移的解析解。在此基础上，提出了一种含水地层深埋隧洞开挖合理预留量的确定方法。结果表明:施工扰动损伤程度及孔隙水压力大小对隧道围岩径向位移量影响显著，具体表现为围岩径向位移随施工扰动损伤程度及孔隙水压力大小的增加而快速增大;运用上述理论成果确定安岚线某在建深埋公路左线隧道开挖后的合理预留量为 110 mm，现场监测结果表明拱顶下沉总量为 90 mm，上、中、下台阶左右侧墙的水平收敛总量分别为 143，179 mm 和 165 mm;隧道围岩变形量未超出开挖预留量设计值，围岩未发生侵限现象，确保了该隧道的安全快速施工，对于隧道快速施工及日后安全运营均具有十分重要的现实意义。关键词:隧道工程;开挖预留量;变形解析解;施工扰动;孔隙水压力中图分类号:TU94+1文献标识码:A文章编号:10020268(2023)05017008Influence of Construction Disturbance and Pore Water Pressure onExcavation eserve of Deep-buried TunnelZHOU Feng-yin1，WANG Xian-guo*2，YU Yuan-xiang3(1 Zhengzhou Metro Group Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450008，China;2 China ailway 11th Bureau Group Urban ail Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430000，China;3 School of Architecture and Civil Engineering，Xi an University of Science and Technology，Xi an Shaanxi 710054，China)Abstract:In order to prevent the intrusion phenomenon caused by excessive deformation of surrounding rockafter tunnel excavation，it is necessary to reserve a reasonable deformation space between the surroundingrock and the supporting structure to allow moderate plastic deformation of the surrounding rock to give fullplay to the self-bearing capacity of the surrounding rock.Taking the grade III surrounding rock of the ZK86+405 section of the deep-buried left tunnel under construction along the Ankang Langao Expressway inShaanxi Province for the research object，the deformations of the section vault and the left and right side wallsof each step are monitored.Based on the existing elasto-plastic mechanical theory，the elasto-plasticmechanical calculation and analysis model of surrounding rock of the deep-buried tunnel under the action ofunderground pore water is established.Considering the comprehensive influence of pore water pressure and第 5 期周凤印，等:施工扰动和孔隙水压力对深埋隧洞开挖预留量的影响construction disturbance on the strength and deformation of the surrounding rock，the analytical solutions ofthe stress and displacement of the water-bearing surrounding rock after excavation of the deep-buried tunnelunder construction disturbance condition is derived.On this basis，a method for determining the reasonablereserve of deep-buried tunnel in aquifer is proposed.The result shows that(1)The degree of constructiondisturbance damage and pore water pressure have significant influences on the radial displacement of thesurrounding rock of the tunnel，which is manifested as the radial displacement of the surrounding rockincreases rapidly with the increase of the degree of construction disturbance damage and the pore waterpressure.(2)Using the above theoretical result，it is determined that the reasonable reserve of theabovementioned left tunnel after excavation is 110 mm.The on-site monitoring result shows that the totalsinking of the vault is 90 mm，and the total horizontal convergence of the left and right side walls of theupper，middle and lower steps is 143，179，165 mm respectively.(3)The deformation of the surroundingrock of the tunnel does not exceed the design value of the excavation reserve，and there is no intrusion intothe surrounding rock，which ensured the safe and rapid construction of the tunnel，and is of great practicalsignificance for the rapid construction of the tunnel and the safe operation in the future.Key words:tunnel engineering;excavation reserve;analytic solution of deformation;constructiondisturbances;pore water pressure0引言由于深埋隧道在克服地形障碍、缩短空间距离、保护自然环境及改善陆路交通运行质量等方面的显著优势，国内外出现了一系列长大深埋隧道工程。这些隧道开挖过程中大都面临高地应力、高地温及高孔隙水压的“三高”复杂施工环境，围岩极易出现大变形并发生侵限现象，严重影响隧道的安全快速施工。长期以来，众多学者对深埋隧道变形进行了深入研究。曾开华、张常光、张小波等13 考虑中间主应力及岩体剪胀性的影响，建立了隧道围岩弹塑性封闭解析解;李宗利等4 基于 M-C 屈服准则推导了考虑渗流场影响的深埋圆形隧洞的弹塑性解;张治国等5 依托牛和岭隧道深埋段工程，基于 M-C 准则推导了渗流力作用下围岩和衬砌结构相互作用的弹塑性解析解;王更峰6 分析了围岩变形以及围岩支护相互作用力时间规律，开展了几种碳质板岩隧道围岩变形控制优化研究;王卫军等7 研究了支护阻力对深部高应力巷道围岩变形与塑性区的影响，提出了支护结构应满足围岩大变形的协调支护原则;房倩等8 讨论了围岩变形量、围岩变形稳定时间与围岩级别、隧道开挖面积等因素之间的关系;孙振宇等9 系统研究了不良地质条件下大断面隧道围岩的变形速率和变形持续时间，给出了变形加速度阈值的确定方法;张梅等10 依托毛羽山隧道工程，对预留空间法应力释放进行了构思与试验分析，揭示了软岩隧道在高地应力下采取预留空间法的变形规律和应力释放能力;王鹏11 通过现场实测与数值模拟认为下台阶开挖引起的变形可以达到隧洞围岩总变形量的 50%左右;王小军12 以新疆某输水隧洞为工程背景，采用经验公式法及数值模拟法综合确定了长距离深埋隧洞的预留变形量;孙闯等13 基于Hoek-Brown 强 度 准 则 的 应 变 软 化 模 型，采 用FLAC3D 软件确定了弱节理小净距隧道的合理净距及围岩的稳定性;许崇帮14 采用了理论分析及数值计算相结合的方法对双侧壁导坑法和 CD 法的施工扰动程度进行了量化分析;周元辅等15 采用数值模拟法对高水压隧道双层初期支护的应用效果进行了分析;王治才等16 依据现场监测数据对软岩大变形隧道支护结构响应规律进行了研究，进而选择合适的支护方案以达到支护体系的最优协同度。综上所述，上述关于隧道围岩变形及开挖预留量等方面的研究成果对深埋隧道安全快速施工具有重要指导意义，但对于孔隙水压力与施工扰动共同影响下深埋隧道的合理开挖预留量仍有待进一步研究。基于此，本研究以陕西安岚线某深埋公路隧道为依托，考虑孔隙水压力与施工扰动对围岩变形的影响，建立了深埋隧洞开挖后围岩应力及其位移的解析解，并提出了一种考虑孔隙水压力与施工扰动的深埋隧洞开挖预留量确定方法。1孔隙水压力作用下隧洞围岩变形力学分析地下隧洞开挖前，围岩处于三向受压状态。隧道开挖后，围岩由三向应力状态转变为二向应力状171公路交通科技第 40 卷态，围岩受力发生下述两个变化:(1)隧洞周边径向应力下降为 0;(2)围岩出现应力集中。依据集中应力的具体大小，周边围岩将发生一定程度的弹塑性变形。本研究考虑孔隙水压力对隧洞围岩变形的影响，建立孔隙水压力作用下深埋隧道围岩力学分析模型如图 1 所示。其中，q0为围岩压力;Pw为孔隙水压力;0为硐室开挖半径;p为围岩塑性区与弹性区交界处的半径;e为隧洞围岩计算区域半径。图 1孔隙水压力作用下深埋隧道围岩力学分析模型Fig.1Mechanical analysis model of surrounding rock ofdeep-buried tunnel under pore water pressure1.1围岩弹性区应力应变分析设围岩塑性区与弹性区交界处岩体的径向应力为p。将深埋隧道围岩弹性区视为一厚壁圆筒，由Kirsch 公式可表示出在围岩压力 q0和弹性区内部应力p作用下的弹性区应力 er及 e如式(1)所示:er=q0(q0p)Pr()2e=q0+(q0p)Pr()2，(1)式中，er和 e分别为弹性区围岩的径向总应力和环向总应力。考虑孔隙水压力的影响，由式(1)可得5 er=q0(q0p)Pr()2+Pwe=q0+(q0p)Pr()2+Pw，(2)式中 为有效孔隙水压力系数。1.2围岩塑性区应力应变分析如图 1 所示，隧洞围岩计算区域半径为 e，在孔隙水压力 Pw分布微分方程如式(3)所示:d2Pw(r)dr2+1rdPw(r)dr=0，(3)式中 Pw(r)为半径为 r 处的孔隙水压力。在 r=r0，r=e处，分别有Pw|r=r0=0Pw|r=e=Pw。(4)将式(4)代入式(3)可得孔隙水压力沿隧洞半径方向的分布规律如式(5)所示:Pw(r)=Pwln(r0/r)ln(r0/e)。(5)令 e=r0，则由式(5)可得Pw(r)=Pwln(r0/r)ln。(6)将孔隙水压力视为体积力，其大小如式(7)所示:fr=dPw(r)dr=Pwrln。(7)因此，孔隙水压力作用下的隧洞围岩微单元的力学平衡方程如式(8)所示:drdr+rr+Pwrln=0。(8)隧洞围岩塑性区应力也应满足摩尔库伦屈服条件，如式(9)所示:p=1+sin 1 sin pr+2ccos 1 sin，(9)式中 c 为围岩的内黏聚力。应力边界条件为 pr|r=r0=0，联立式(8)(9)，解得pr=ccot(1 sin)Pw2sin ln rr0()2sin 1sin ccot+(1 sin)Pw2sin ln，(10)p=1+sin 1 sin ccot(1 sin)Pw2sin ln rr0()2sin 1sin ccot+(1+sin)Pw2sin ln。(11)1.3孔隙水压力下围岩弹塑性边界处应力计算由岩体力学理论17 可知，在隧洞边界处有p+rp=2q0。(12)在式(10)(11)中令 r=p，并将其代入式(12)中，则有p=r0q0sin+ccos Pw2ln ccos 1 sin Pw2ln 1sin 2sin。(13)271第 5 期周凤印，等:施工扰动和孔隙水压力对深埋隧洞开挖预留量的影响将式(13)代入式(10)(11)，可得弹塑性边界上应力如式(14)(15)所示:pr=ccot(1 sin)Pw2sin ln q0sin+ccos Pw2ln ccos 1 sin Pw2ln ccot+(1 sin)Pw2sin ln。(14)p=1+sin 1 sin ccot(1 sin)Pw2sin ln q0sin+ccos Pw2ln ccos 1 sin Pw2ln ccot+(1+sin)Pw2sin ln。(15)2深埋隧洞开挖后围岩扰动效应分析工程实践表明，隧洞开挖对围岩产生不同程度的扰动。此时，围岩的强度参数与工程扰动程度 D及岩体地质强度指标 GSI 密切相关，其有效内黏聚力和有效内摩擦角分别如式(16)(17)所示:18 E=arcsin2miexpGSI 10028 14D()c3+expGSI 1009 3D()1216expGSI15()exp203()12+16eGSI15 e203()miexpGSI 10028 14D()+11，(16)cE=2c211+12+16eGSI15 e203()miexpGSI 10028 14D()1miexpGSI 10028 14D()c3+expGSI 1009 3D()12+16expGSI15()exp203()，(17)式中，D 为工程扰动程度，0，1;GSI 为地质强度指标，如表 1 所示。表 1岩体地质强度指标概化表Tab.1Generalized table of rock mass geological strength indicators岩体结构非常好的好的比较好的差的非常差的非常粗糙的新鲜的无风化的表面粗糙的轻微风化的暗铁色的表面光滑的中等风化的表面由擦痕面搞得风化的具有密实或角状块状充填覆盖的表面由擦痕面具有黏土质的软岩覆盖或充填的高度分化的表面光块 状70807550605540非常块状755060554030块状褶曲506055403020碎块状结构55403020103孔隙水作用下隧洞围岩位移分析隧洞开挖后，围岩应力发生重分布。洞壁围岩在集中应力和孔隙水压力的共同作用下将发生弹塑性变形，并产生一定的径向位移。3.1孔隙水作用下围岩弹性位移分析根据弹性力学理论，在围岩弹性区内，岩体弹性位移如式(18)所示:5 ue=1 20E0r01 0r()，(18)式中，=e0;r=err0。0和 r0分别为初始状态围岩径向有效应力和环向有效应力，其计算如式(19)所示:r0=q01 r20r2()0=q01+r20r2()。(19)3.2孔隙水作用下围岩塑性位移分析由于塑性区内的应力应变为非线性关系，现引入塑性模数来表示塑性区的应变，并假设塑性区内体积应变为 0，即可求得围岩塑性位移。根据弹塑371公路交通科技第 40 卷性力学理论，在三维状态下岩体平均应力及平均应变如式(20)所示:=13(r+z)=13(r+z)，(20)式中，为平均应力;为平均应变。利用广义胡克定理，得r+z=1E r(+z)+1E(z+r)+1E z(r+)=1 2E(r+z)，(21)式中，E 为岩石静态弹性模量;为岩石静态泊松比。=1 2E，(22)又r=1E r(+z)1 2E=1+E(r)。(23)同理可得r=1+E(r)+=1+E()+z=1+E(z)+。(24)设弹性区中，塑性模数=1，塑性区中的平均模量为 E0，泊松比 0，剪切模量为 G0，体积不变(=0)。由于=1，且为轴对称问题，故可将其转化为平面应变问题，即:z=0，z=;又根据平均应力的表达式可得=(r+)2。将塑性模数 代入塑性区应力应变关系式(24)中，则 平 面 应 变 下 的 应 变 和 应 力 关 系 如 式(25)所示:r=(1+)2E(r)=(1+)2E(r)。(25)在塑性状态下，单元体受力后的位移与应变仍然保持弹性状态下的关系，即r=dudr，=r。(26)对式(25)求导ddr=dur()r=2ur2=2r。(27)导入边界条件:r=p，=1，联立式(25)(27)解得塑性模数如式(28)所示:=(r)r=p(r)2pr2。(28)由式(14)(15)可得(r)r=p=1+sin 1 sin ccot(1 sin)Pw2sin ln q0sin+ccos Pw2ln ccos 1 sin Pw2ln ccot+(1+sin)Pw2sin ln ccot(1 sin)Pw2sin ln q0sin+ccos Pw2ln ccos 1 sin Pw2ln+ccot(1 sin)Pw2sin ln=ccot(1 sin)Pw2sin ln q0sin+ccos Pw2ln ccos 1 sin Pw2ln 2sin 1 sin。(29)将式(29)代入式(28)，可求得隧道围岩塑性区塑性模数如式(30)所示:=ccot(1 sin)Pw2sin ln q0sin+ccos Pw2ln ccos 1 sin Pw2ln sin(1 sin)(r)22pr2。(30)471第 5 期周凤印，等:施工扰动和孔隙水压力对深埋隧洞开挖预留量的影响由径向位移的几何方程和塑性应力应变关系式(25)可得孔隙水压力作用下考虑施工扰动效应的隧洞围岩径向塑性位移如式(31)所示:up=r=r(1+0)E0(r)=ccot(1 sin)Pw2sin ln q0sin+ccos Pw2ln ccos 1 sin Pw2ln sin(1 sin)22pr(1+0)E0。(31)3.3隧洞围岩塑性位移分析由式(29)知，隧洞围岩径向塑性位移与塑性区内的变形常数 E0和 0、初始应力 p0、塑性区半径p以及任意一点的距离 r 等因素以及强度参数 cE，E均有关，则围岩塑性区半径如式(32)所示:p=r0q0sin E+cEcos EPw2ln cEcos E1 sin EPw2ln 1sin E2sin E。(32)将式(16)(17)，(30)代入式(29)即可得到孔隙水压力与施工扰动共同影响的围岩径向塑性位移 up如式(33)所示:up=cEcot E(1 sin E)Pw2sin Eln q0sin E+cEcos EPw2ln cEcos E1 sin EPw2ln sin E(1 sin E)22pr(1+0)E0。(33)4施工扰动与孔隙水作用下围岩变形规律研究设某深埋隧洞等效开挖半径 r0=5.35 m，单轴抗压强度 c=35 MPa，杨氏模量 E=6 GPa，泊松比=0.25，原岩应力 q0=30 MPa，第 3 主应力 3=14 MPa，开挖扰动参数 D=0.5，mi=1，围岩质量指标 GSI=30，有效孔隙水压力系数=0.5，孔隙水压力 Pw=10 MPa，孔隙水压力计算范围=15，弹性区计算范围为 5 倍隧洞开挖半径。4.1施工扰动对围岩变形影响分析为研究扰动程度大小对围岩径向位移的影响，取扰动程度 D 由 0 增大至 1，对围岩变形的影响计算如图 2 所示。图 2扰动程度对围岩变形的影响Fig.2Influence of disturbance degree on deformation ofsurrounding rock可以看出，随着扰动程度的逐步增大，围岩径向位移也随之增大。当围岩其他计算参数不变而扰动程度由 0 增大至 1 时，围岩径向位移增加了183.5%，可见扰动程度对围岩变形有显著影响。4.2孔隙水作用对围岩变形影响分析为研究孔隙水压力大小对围岩径向位移的影响，取孔隙水压力 Pw由 0 增大至 50 MPa，对围岩变形的影响计算如图 3 所示。图 3孔隙水压力对围岩变形的影响Fig.3Influence of pore water pressure on deformation ofsurrounding rock可以看出，随着孔隙水压力的逐步增大，围岩径向位移也随之增大。当围岩其他计算参数不变而孔隙水压力由 0 MPa 增加到 50 MPa 时，围岩径向位移增加了 62.7%。5工程实例5.1工程概况陕西安岚线某深埋公路隧道采用分离式高速公571公路交通科技第 40 卷路双向 4 车道设计，隧道左线起讫桩号为 ZK85+600ZK89+574.219，全长 3 974.219 m。隧道围岩以中风化、微风化灰岩为主，隧道设计 II 级围岩占34.3%，级围岩占 59.1%，V 级围岩占 6.6%，最大埋深 1 112.0 m。正洞施工采用三臂凿岩台车打孔，级围岩采用全断面或上下台阶开挖，级围岩采用台阶法施工，V 级围岩采用环形开挖预留核心土法开挖。在左线隧道施工开挖过程中，隧道掘进头附近围岩与支护结构易产生大变形，严重威胁施工作业人员的安全。5.2隧洞围岩变形计算根据工程相关设计参数，取该隧道等效半径 r0=5.35 m，单轴抗压强度 c=35 MPa，杨氏模量 E=6 GPa，泊松比=0.25，原岩应力 q0=30 MPa，第3主应力 3=14 MPa，开挖扰动参数 D=0.5，mi=1，围岩质量指标 GSI=30，有效孔隙水压力系数=0.5，孔隙水压力 Pw=10 MPa，孔隙水压力计算范围=15，弹性区计算范围为 5 倍隧洞开挖半径。将上述数据代入式(16)(17)可得围岩有效内摩擦角 E=3.78 有效黏聚力 cE=12.59 MPa。由式(30)计算得塑性区半径 p=9.67 m。由式(31)计算得径向塑性位移 up=99 mm。由式(19)计算得弹性区初始状态围岩径向有效应 力 r0=28.8 MPa，环 向 有 效 应 力 0=31.2 MPa。由式(14)计算得弹塑性边界上围岩径向应力pr=27.94 MPa。由式(2)计算得弹性区围岩径向应力 er=34.73 MPa，环向应力 e=35.27 MPa。由式(18)计算得弹性位移 ue=6 mm。由上述计算结果得到隧洞围岩表面总位移为105 mm。根据计算结果，确定安岚线某在建深埋隧道开挖预留量为 105 mm。为便于施工，确定开挖预留量为 110 mm，其开挖轮廓示意图如图 4 所示。5.3围岩变形监测结果分析为验证上述隧道开挖预留量的合理性，在安岚线某深埋公路隧道选取该深埋公路隧道 ZK86+405 断面作为典型断面进行分析，该断面围岩等级为级。围岩变形监测数据如图 5 所示。由图 5 可知:(1)监测期内拱顶下沉总量为 90 mm，上、中、下台阶水平收敛总量分别为 143，179 mm 和 165 mm。(2)结合变形曲线特征，综合分析变形速率和变形总量，结果证明隧道围岩变形量未超出开挖预留量设计值，图 4陕西安岚线某深埋隧道开挖轮廓示意图(单位:mm)Fig.4Schematic diagram of excavation outline of adeep-buried tunnel along Ankanglangao Expressway inShaanxi Province(unit:mm)图 5隧道开挖后围岩变形曲线Fig.5Curves of deformation of surrounding rock aftertunnel excavation隧道围岩变形理论分析结果与隧道实际变形情况基本一致。6结论(1)隧道施工中，合理确定开挖预留量能较准确的设计隧道实际开挖轮廓，不但确保围岩充分变形而减小围岩压力，而且避免了侵限情况的发生，对于隧道设计和施工具有重要意义，因此工程实际中需要考虑一定的开挖预留量。(2)孔隙水及施工扰动对深埋隧道围岩物理力学参数均有一定弱化作用，进而导致隧道开挖后围岩产生一定的径向变形。其中扰动程度对围岩变形的影响比孔隙水压力更为显著，因此工程实际中需对这两个因素着重分析加以确定，以确保隧洞安全快速施工并保证工程经济性。(3)利用本研究建立的隧洞围岩位移计算方法计算了安岚线某在建深埋公路隧道在孔隙水及施工671第 5 期周凤印，等:施工扰动和孔隙水压力对深埋隧洞开挖预留量的影响扰动共同影响下的围岩位移量为 105 mm，为便于施工，确定开挖预留量为 110 mm，满足施工要求，表明上述理论具有一定科学性和工程实用性。参考文献:eferences:1曾开华，鞠海燕，盛国君，等 巷道围岩弹塑性解析解及工程应用 J 煤炭学报，2011，36(5):752755ZENG Kai-hua，JU Hai-yan，SHENG Guo-jun，et alElastic-plastic Analytical Solutions for Surrounding ocksof Tunnels and Its 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