软弱围岩时效变形特性对石林隧道支护结构长期稳定性的影响分析

0 引言

福建省是一个多山地区，地质条件复杂多变，使得高速公路隧道的修建很难避免穿越具有显著时效变形特征的软岩区域[1]。隧道围岩的时效变形特性，不仅会造成施工期间经常会发生拱顶坍塌、底鼓、突水、涌泥等地质灾害，而且还会造成运营期间隧道支护结构的开裂、渗水、甚至坍塌等稳定性问题，严重影响着高速公路隧道的安全运营[1-5]。

永宁高速公路是福建省永安至宁化高速公路国家规划的重点干线公路“泉州至南宁”的重要组成部分，是东部沿海地区通往中部地区重要的省际通道，也是一条重要的国防交通干线和快速入闽通道[2]。永宁高速公路的石林隧道围岩具有典型的软岩时效大变形特征，不仅施工期间出现过多次地质灾害，而且贯通运营至今隧道衬砌结构局部已出现裂缝和底鼓现象，潜在影响着隧道的安全运营[1-5]。

1 永宁高速石林隧道工程概况

永宁高速公路石林隧道距永安市区约8km，隧道长2865m，最大开挖断面约110m2，最大埋深约为320m。石林隧道位于地质条件复杂的山岭，不仅构造应力作用较强，而且工程地质条件极为复杂，例如：受断层带和褶皱等地质构造和地下水的影响，岩体破碎，节理发育，力学强度低，具有显著的时效变形特征[4]。

石林隧道开挖施工期间，YK14+260～YK14+320段受软弱围岩大变形的影响，连续发生多次突泥涌水事故，导致初支结构发生拱顶沉降、坍塌、底鼓和二衬开裂等地质灾害，严重困扰着施工安全和影响工期。事后结合地质条件、灾害特征、现场监测和试验成果，分析产生上述灾害的机理，提出了相应的围岩加固措施和改进的施工工艺，控制了软弱围岩大变形对隧道施工过程中支护结构和施工工期的影响[4]。2011年6月至8月福州大学对该段的监测结果表明，仰拱隆起位移总体较小，隆起现象不明显；大部分断面衬砌拱顶处表面受拉、拱腰处受压以及边墙处受拉，应变值在10-5数量级以内，开裂的裂缝宽度变化微小，短期没有进一步发展的迹象[5]。

本论坛主席张绍杰教授、副主席马占祥教授、呼伦贝尔学院田振江院长、西南大学李力教授代表承办单位交接会旗，李力教授作为2019NALLTS承办单位代表致词，最后论坛主席张绍杰教授致闭幕辞。

数值模拟过程大致分为三步，首先，进行初始应力场作用下的静力平衡模拟；其次，将模型变形场清零，进行隧道断面开挖支护的模拟；最后，给定隧道围岩为粘塑性蠕变本构模型，进行隧道的长期稳定性模拟。

2 石林隧道数值计算模型概述

2.1 石林隧道的几何模型

数值计算模型中石林隧道围岩分别选取理想弹塑性和粘塑性cvisc蠕变本构模型，用以表征开挖阶段和运营阶段围岩的力学特性。混凝土初衬、钢筋混凝土二衬、回填混凝土和锚杆均采用理想弹塑性本构模型，其中以等效提高初衬和二衬混凝土力学强度的方法来近似反应钢拱架和钢筋的作用。参考石林隧道地质资料及相关文献，选取石林隧道围岩及支护结构的物理力学参数见表1至表3所示。

图1 石林隧道数值计算模型

图2 石林隧道支护结构示意图

2.2 隧道岩体及支护结构的力学参数

鉴于应力越高软岩的时效变形特性越显著的特点，石林隧道埋深选取其最大埋深即320m。依据石林隧道的设计和地质资料，采用FLAC3D岩土工程数值计算软件，建立了石林隧道的数值计算模型，如图1所示。其中平面模型水平宽100m，竖向高110m，隧道轴线方向为单位长度；隧道位于模型的中央，隧道跨度为12.52m，未建立的覆岩以均布面压力考虑；初衬厚0.28m，二衬厚45cm，隧道起拱段以上累计施加23根3.5m长的全长粘结锚杆，如图2所示。

表1 隧道围岩的物理力学参数表[2,3]

弹性模量E（GPa）泊松比v密度ρ（kg/m3）EK EM ηK ηM（GPa·Year）0.75 0.32 2500.00 900.00 10.00 37.00 0.60 0.03 0.40 210.00内聚力C（kPa）抗拉强度t（kPa）内摩擦角φ（°） （GPa） （GPa） （MPa·Year）

表2 隧道衬砌结构的物理力学参数表[2,3]

内摩擦角φ（°）初衬混凝土 24.00 0.17 2300.00 3.54 1.35 48.00二衬混凝土 29.50 0.17 2300.00 4.94 1.75 54.00回填混凝土 23.50 0.17 2300.00 3.42 1.20 42.00材料名称 弹性模量E（GPa） 泊松比v 密度ρ（kg/m3）内聚力C（MPa）抗拉强度t（MPa）

表3 隧道锚杆的物理力学参数表

材料名称 弹性模量E 锚固体剪切刚度EG（GPa）锚杆 210.00 0.33 7800.00 22.00 10000.00 20000.00 4240.00 13.30（GPa）泊松比v密度ρ（kg/m3）直接D（mm）预应力Pr（kN）破断力T（kN）锚固体抗剪强度CG（kN/m）

2.3 数值计算模型边界条件及数值模拟过程概述

表3显示，广西地级市食药检机构的专业技术人员主要以本科和大专及以下学历为主，所占比例均在90%以上；研究生学历的专业技术人员非常少，部分机构甚至一个都没有。

以往的研究成果大都从隧道施工现场存在的问题出发，研究软弱围岩变形特性对隧道稳定性的影响，很少从运营期间或设计服务年限角度研究软岩时效变形特性对隧道结构长期稳定性的影响[1-9]。本文以福建永宁高速公路的石林隧道为例，着重分析软岩时效变形特性对隧道支护结构长期稳定性的影响。

3 围岩时效变形特性对隧道支护结构长期稳定性的影响分析

以下将从隧道静力开挖支护稳定和隧道不同运营时间状态下，对比分析隧道支护结构的变形场、应力场、塑性破坏区域的变化规律，探究软弱围岩时效变形特性对隧道结构长期稳定性的影响。

3.1 塑性破坏区域分析

不同时刻下锚杆轴力分布图（图6）和左右边墙和拱顶锚杆时程曲线图（图7）表明，随隧道运营时间的增加，隧道锚杆轴力呈现先增大后减小的趋势，当运营时间在20年至60年之间时，隧道锚杆处于较高的工作内力状态，最大工作内力是其破断力的75%左右，且在隧道100年的运营时间内，轴力较大的锚杆均位于在上述产生显著塑性屈服的左右边墙和拱顶位置。因此，从混凝土衬砌应力和锚杆轴力分布规律角度还可进一步验证围岩时效变形特性对隧道支护结构长时稳定性的显著影响。

图3 隧道衬砌结构的塑性区分布图

注：图中shear代表剪切屈服，tension代表拉伸屈服，None代表未屈服

3.2 应力场分析

不同运营时刻下的最大主应力分布图（图4）清晰地表明，随隧道运营年限的增加，隧道混凝土衬砌由开挖支护稳定后的较为均匀的受力状态，逐渐发展到隧道拱底、左右边墙和拱顶出现显著的拉应力区，拉应力区的位置、分布面积及先后出现的时刻均与上述混凝土衬砌塑性区随运营时间变化规律相一致。图5给出了二衬混凝土拱顶、左右边墙和拱底四个关键位置处的最大主应力时程曲线，从中可知在在隧道运营期间，四处位置均出现了显著的拉应力状态，且拉应力峰值出现先后均与各自塑性区出现时机相一致。

石林隧道数值计算模型两侧及底部采用面外法线方向位移约束边界条件，模型顶部施加6.5MPa的均布面压力表征未建立覆岩的影响。地层水平侧压力系数取1.25。重力加速度大小为9.8m/s2，方向为竖向向下。约束整个模型平面外法线方向的位移使之简化为平面应变问题。

图4 隧道衬砌结构的最大主应力分布图(单位kPa)

注：正值为拉应力，负值为压应力

图5 隧道衬砌结构关键点的最大主应力时程曲线图

注：正值为拉应力，负值为压应力

不同运营时刻下隧道衬砌结构塑性区分布图（图3）直观地表明，隧道断面开挖支护稳定后（t=0时刻），只有初衬与围岩接触面附近发生塑性屈服，屈服区域甚小。随隧道运营年限的增加，隧道二衬混凝土逐渐产生拉剪屈服，且屈服范围随之增大的趋势。例如：当隧道运营t=5年时，隧道拱底和左右边墙开始出现塑性屈服；当t=10年时，左侧边墙塑性区基本贯通混凝土衬砌，且左右边坡塑性屈服区域具有不对称性；当t=40年时，隧道左右边墙的塑性区已完全贯通混凝土衬砌，同时隧道拱顶出现大面积塑性屈服区域且已基本贯通混凝土衬砌；当t=100年时，隧道左右边墙、拱顶、拱底的塑性区较t=40年有不同程度的增大。可见，从不同运营年限的混凝土衬砌塑性区分布规律可知，软弱围岩的时效大变形特性对隧道衬砌结构的长期稳定性具有显著的影响。

眼下秋意正浓，放眼望去，漫山遍野的碧草与红叶，入景皆诗皆画。红琴问他在庙里过得好不好，风影一头雾水，无所谓好，也无所谓不好，反正他说不出个子丑寅卯，更说不出个所以然来。不过，他的眉宇间似有郁郁，寺院里的一切都要守清规戒律，几乎没有什么自由可言，再说，除了敲木鱼还是敲木鱼，除了念经还是念经，那种寂寞与单调可想而知。而且，一天到晚要吃素，不准吃肉，对于自从离开娘肚子就野惯了的风影来说，要说好其实也好不到哪里去。

3.3 变形场分析

不同时刻下的混凝土衬砌位移云图（图8）和图9所示四个关键监测点的位移时程表明，随隧道运时间的增加，隧道拱底、左右边墙和拱顶四个关键位置开始出现不同程度的变形集中区，位移集中变形区域与相同时刻下塑性区和最大主应力分布区域相同，且相同时刻下隧道对称位置的变形量却呈现明显的不对称性，变形量由大到小的区域依次为隧道拱顶、左侧边墙、右侧边墙、拱底。

连刀锋的轨迹都看不清楚，这便意味着，自己连最基本的防守都做不到，自己身体的某个部位，很可能在接下来的交锋中，毫无察觉地被对方扯碎，而自己却只能后知后觉。

图6 隧道锚杆轴力分布图(单位kN)

注：正值为拉，负值为压

图7 隧道关键位置锚杆轴力时程曲线图

4 结论

综上基于软弱围岩时效变形特性的石林隧道衬砌长期稳定性的数值模拟结果分析可知，无论是从混凝土衬砌的塑性屈服、应力场、位移场、锚杆内力的分布规律，还是隧道关键位置的时程曲线变化规律，均表明软弱围岩的时效变形特性显著影响着隧道支护结构的长期稳定性，实际工程设计不能忽视围岩时效变形特性对隧道支护结构长期稳定性的影响，实际施工过程中应采取诸如注浆加固改善围岩力学特性的方法，提高围岩的整体强度，减少甚是消除围岩时效变形对隧道支护结构的影响，保证隧道结构的安全运营设计年限，否则会导致隧道混凝土衬砌开裂、锚杆破断、隧道坍塌等工程事故。隧道运营期间应加强对隧道结构的连续监测，以便及时发现灾害前兆，进而便于采取相应的处理措施。

图8 隧道衬砌结构的总位移云图（单位m）

图9 隧道衬砌结构关键点的总位移时程曲线图

参考文献

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