高地应力环境下隧道围岩变形预测与支护结构控制效用研究.pdf

第 69 卷增刊 1Vol.69Supp.12023 年6 月Jun.,2023地质论评GEOLOGICALREVIEW131高地应力环境下隧道围岩变形预测与支护结构控制效用研究一熊亮，郑明明，朱俊林，王凯，朱成涛，刘喜龙成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都，610059收稿日期：2023-04-10；改回日期：2023-04-30；责任编辑：刘志强。DOI：10.16509/j.georeview.2023.s1.052作者简介：熊亮，男，2000 年生，博士，土木工程专业；Email：。通讯作者：郑明明，男，1988 年生，博士，副教授，主要从事地下工程方面的研究；Email：mingming_。关键词：关键词：高地应力；围岩变形控制；新型支护结构；数值模拟近年来，随着我国西部的开发，西南地区隧道和桥梁的修建，面临着越来越多的困难和问题，以川藏铁路为例，川藏铁路建设是贯彻中央治藏方略的重大举措，将大力促进西藏经济的发展、维护国家统一、巩固边疆稳定，具有重大的建设意义。川藏铁路经过青藏高原东缘，山高坡陡，多为长大深埋隧道，埋深大导致自重应力高。在构造部位上，位于欧亚板块和印度板块的交界处，紧邻“喜马拉雅东构造结”，以及青藏高原与四川盆地挤压构造带上，强构造挤压应力持续作用（薛翊国等，2020）。该地区自新生代以来发生多次构造运动，使得该地构造应力极高，远大于自重应力，成为高地应力活动的控制因素。与其它地方不同的是，该区域地层岩性繁杂，地壳浅层变形强烈，工程地质条件复杂，构造地应力量值处于极高水平（秦向辉等，2023）。这使得本区域高地应力现象从强度级别、活跃程度、爆发规模、危害范围等方面都远远颠覆既有认知。1工程概况笔者等以钻爆法施工的四川乐山大峡谷隧道和 TBM 法施工的西藏多雄拉隧道为研究对象，这两个隧道都存在隧道埋深大，开挖区地应力高的情况，对于隧道开挖施工十分不利。因此，如何结合隧道极高应力区段的复杂地质条件，在隧道建设过程中进行准确的岩爆风险识别和控制，对可能发生的岩爆灾害进行有针对性的施工控制，对川藏铁路隧道安全施工具有重要意义。因此开展高地应力硬岩隧道围岩开挖后变形预测和支护结构体系的研究就有十分重大的意义（钱七虎等，2017），不仅可以为工程开挖提供依据，也可以对支护施加和支护结构提出建议。通过现场调查以及相关资料研究，建立ANSYS数值模拟模型进行分析，研究不同地应力、层面角度和不同开挖工艺下开挖后隧道围岩的变形情况，以及不同支护结构对围岩变形的控制作用。2高地应力硬岩隧道变形特性为了解隧道围岩开挖后的变形特征，特以上述两个隧道为依托使用 ANSYS 进行数值模拟，并分析围岩变形特征，以及支护结构对围岩变形的影响情况。通过 ANSYS 数值模拟软件来进行隧道变形的研究，首先根据相应的现场地质资料进行模型的建立，按照现场实测的地应力值来进行应力的施加（田青峰等，2021）。分别研究不同开挖工艺下的隧道围岩变形情况，并与现场实测围岩变形数值进行对比验证，并为后续的支护结构对围岩变形的控制作用进行佐证。2.1数值模型建立模型的建立需要遵循下列原则：模型尺寸：根据相关资料，地下洞室开挖后的影响范围在 35 倍洞径左右，因此，模型水平方向设置为 50 m（X=2525 m）、纵向设置为 60 m（Z=060 m）、竖向设置为 50 m（Y=2525 m），并将隧洞开挖主体设置于模型的中间位置，呈对称分布。基于上述参数进行模型的建立。边界条件：由于边界条件的选取对于围岩变形计算结果的影响很大，所以各个方向的边界约束为：模型顶面为自由边界，无位移约束，模型的水地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1132平和纵向四个侧面上均设置法相位移为 0 的约束，底面上设置为法相位移为 0 的约束。网格划分：采用三角形单元，针对全局范围进行控制，针对变形量较大和应力集中部位进行网格的细化，使模拟的结果更加准确。2.2数值模拟情况基于现场情况，模型采用分步开挖，一次开挖3 m，并分 20 步开挖，直至贯通，以此来模拟隧道开挖后围岩的变形情况。得到如图 1 所示的图，了解隧道开挖后隧道断面各处的围岩变形量，针对构造应力情况下，各处的应力集中情况，以在后期支护结构设计时进行相应的针对性设计，针对应力集中部位做加强处理，应力平缓处可以适当的减少支护强度，达到很好的经济效益。3支护结构对围岩变形的控制作用针对不同开挖方式下，存在不同的支护结构形式，不同的支护结构对于围岩变形的控制作用大不相同，所以支护结构对围岩变形的控制作用就有重要的研究价值。支护结构大体分为以下几种：（1）在钻爆法中，主要为喷射混凝土、钢拱架、钢筋网、锚杆和二次衬砌所组成的复合支护结构，了解不同支护形式情况下，对于高地应力情况下隧道围岩变形控制效果；（2）在 TBM 法中，主要为预制的砼管片（李元海等，2021），特殊情况下也存在与钻爆法类似的复合支护结构，以及一些新型的支护材料所制成的管片，例如钢管片等，针对这些情况进行研究，可以了解在高地应力情况下隧道围岩在何种支护形式下的变形量最小，可以得到更好的控制作用。3.1钻爆法支护结构对围岩变形的控制作用研究根据相关资料了解钻爆法开挖时的支护结构，并在 ANSYS 中建立钻爆法的支护结构，建立钢拱架、钢筋网和混凝土组成的复合支护结构，根据改变一系列的不同支护参数，如不同间距钢拱架、不同材料钢拱架和砼、不同厚度的砼，并进行不同情况下的模拟，设置对比分析，以此来分析不同支护参数下围岩的变形情况。3.2TBM 法支护结构对围岩变形的控制作用研究根据相关资料了解TBM法开挖时的支护结构，并在 ANSYS 中建立 TBM 法的支护结构，建立支护管片，通过改变管片的形状和材料，进行不同情况下的模拟，设置对比分析，以此分析不同形状管片和不同材料管片对于支护效果的影响。根据相关资料了解TBM法开挖时的支护结构，并在 ANSYS 中建立 TBM 法的支护结构，建立支护管片，通过改变管片的形状和材料，进行不同情况下的模拟，设置对比分析，以此分析不同形状管片和不同材料管片对于支护效果的影响。各种支护结构的参数取值如表 1 所示。钻爆法以及 TBM 法开挖下支护结构示意图如图 2 所示。4结论通过数值模拟结果可知，隧道变形最大处位于拱顶处，变形量在 4cm 左右，而且在构造应力情况下，可以对围岩变形起到一定的抑制作用。由钻爆法和 TBM 法支护结构的模拟结果，采用弹性模量越大的材料进行支护时，材料抵抗变形的能力越强，对围岩变形的控制作用越好。可知支护结构的强度越高，支护的越密实，对于围岩变形的控制作用也就越好，更能约束围岩的变形。针对 TBM 法中支护结构设计，在高地应力区域，除了采用较高性能的管片以外，还需要留出足够的卸压空间让围岩压力释放到管片能够承载的程度，即对 TBM 开挖的扩挖量进行适时动态调整。通过支护结构对围岩变形控制作用的研究，后续可以根据不同的地质条件、不同的开挖工艺等，进行相应的支护结构设计，以达到更好的支护效果和经济效益。通过上述现场监测结果和数值模拟结果对比分析可知：1数值模拟计算出的变形量与现场监测结果范围良好符合；2所用数值模拟方法准确可靠。表 1 支护材料参数材料弹性模量（E/GPa）泊松比（v）密度（kg/m3）钢材1660.307 850钢材2060.307 850C25280.202 400C5034.50.202 500高性能混凝土60.00.202 500参考文献/References李元海,刘德柱,杨硕,孔骏.2021.深部复合地层 TBM 隧道围岩应力与变形规律模型试验研究.岩土力学,42(7):17831793.钱七虎.2017.隧道工程建设地质预报及信息化技术的主要进展及发展方向.隧道建设,37(3):251263.地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1133秦向辉,陈群策,孟文,张重远,孙东生,杨跃辉,陈虹,李冉.2023.喜马拉雅东构造结北缘通麦波密段现今地应力场特征研究J/OL.地质学报,116.田青峰,袁照辉,张睿等.2021.高地应力水平岩层隧道岩爆机制研究以大峡谷隧道为例.隧道建设(中英文),41(S1):223231.薛翊国,孔凡猛,杨为民,邱道宏,苏茂鑫,傅康,马新民.2020.川藏铁路沿线主要不良地质条件与工程地质问题.岩石力学与工程学报,39(3):445468.XIONG Liang,ZHENG Mingming,ZHU Junlin,WANGKai,ZHU Chengtao,LIU Xilong:Study on deformationprediction of tunnel surrounding rock and control effect ofsupporting structure under high ground stress environmentKeywords:high ground stress tunnel;surrounding rockdeformation control;new supporting structure;numericalsimulation图 1隧道模拟结果图图 2支护结构示意图