高地应力软岩隧道超前导洞法施工围岩变形预释放规律分析

郭小雄，刘艳青，马伟斌

(中国铁道科学研究院，北京 100081)

在高地应力软岩隧道施工过程中，多发生较大程度的变形，导致初期支护混凝土开裂、剥落、掉块，支护钢架扭曲、错断，初支侵限［1-2］。已建成的乌鞘岭隧道施工时最大变形量近1．0 m，开挖初期平均变形量在0.4～0.6 m，致使初支大变形而遭破坏，并严重侵入隧道衬砌净空，不得不将初支全部或部分拆除重做［3］。在建兰渝铁路亦多次因高地应力大变形而进行换拱［4］，因大量的初期支护拆换作业而产生的经济损失、安全风险及工期延误等给隧道正常施工造成严重影响。超前导洞法施工可通过对高地应力软岩隧道围岩初始地应力的预释放，以期使隧道正洞支护变形减小至安全可控状态。

1 理论简析

超前导洞释放法为在开挖正洞之前在正洞的合适位置先开挖一定长度的超前导洞，通过超前导洞的位移释放一部分初始应力，从而减少正洞扩挖后的支护变形和降低作用在支护结构上的压力。它是柔性支护设计的一种理念，即容许围岩变形，释放地应力，减低支护压力，同时又能约束围岩松弛和控制围岩变形，保持隧道稳定［5-6］。

2 数值模拟

2.1 计算参数

以某在建高地应力软岩隧道为背景，模型边界尺寸取为100 m×100 m×1 m，隧道模型正洞尺寸为14.3 m×12.7 m，小导洞基本尺寸为7.6 m×4.5 m，相关支护参数、力学参数及初始地应力参数参照现场试验结果选取，围岩及初始地应力主要参数见表1～表2。

表1 围岩参数

表2 初始应力场 MPa

2.2 不同工况条件下的计算分析

采用有限差分法软件flac3d进行计算。结合现场实际施工情况，导洞采用全断面开挖，正洞为三台阶法施工，计算过程中正洞尺寸保持不变。选择导洞计算监测点为 a，b，b'，正洞计算监测点为 A，B，B'，C，C'，D，D'，计算监测点设置见图1。图中，H为导洞高度，L为导洞宽度，h为导洞拱顶至正洞拱顶的距离。

为分析超前导洞法相对于直接开挖正洞法的隧道周边围岩变形的预释放效果，本文以释放率来表示导洞开挖对正洞周边各点径向位移的影响程度。

释放率=(直接开挖正洞隧道周边围岩变形量－导洞释放法正洞隧道周边围岩变形量)/直接开挖正洞隧道周边围岩变形量×100%。

2.2.1 导洞不同宽度模拟

取导洞拱顶距正洞拱顶2.5 m，高度4.5 m，且位75%，这是由于D处位移受导洞底鼓影响较大，加之导洞支护结构不闭合，导洞宽度越大，底鼓现象越明显。

图1 计算监测点设置(单位:m)

2)考虑到导洞全断面开挖现场实际的施工条件，结合数值计算结果，导洞宽度为7.6 m左右时较为合理。

2.2.2 导洞不同高度模拟

在2.2.1节计算结果基础上，保持导洞距正洞拱顶2.5 m，宽度7.6 m，且位于正洞中轴线不变。选择导洞高度 H 分别为 4.5 m，5.0 m，5.5 m，6.0 m，6.5 m五种工况进行模拟计算，结果见图3。于正洞中轴线不变。选择导洞宽度L分别为5.6 m，7.6 m，9.6 m，11.6 m四种工况进行计算，结果见图2。

图2 导洞不同宽度与释放率关系曲线

图3 导洞不同高度与释放率关系曲线

由图2可看出:

1)随着导洞宽度的增加，正洞拱顶 A、上台阶 B、中台阶C、下台阶D的径向位移释放率均随之增加。对拱顶A位移释放率影响最大，由12%增加到69%，这是由于随着导洞宽度的变化，导洞洞型改变使得A点位移增加较大。B处位移释放率由31%增加到75%，影响也较大，这是由于导洞位置较靠近 B的缘故。C处位移释放率由54%增加到79%，这是由于导洞宽度变化所致。D处位移释放率由32%增加到

由图3可看出:

1)当导洞高度增大时，导洞开挖对正洞拱顶A、上台阶B、中台阶C、下台阶D的径向位移释放率均随之增大。

2)考虑到导洞全断面开挖现场实际的施工条件，结合数值计算结果，选择导洞尺寸为7.6 m×5.5 m时可取得较好的综合释放效果。

2.2.3 导洞不同位置模拟

保持导洞尺寸7.6 m×5.5 m，且位于正洞中轴线不变，选择导洞拱顶距正洞拱顶距离 h分别为0 m，1 m，1.8 m，2.5 m，3.5 m，4.2 m，5.0 m 七种工况进行模拟计算，结果见图4。

由图4可看出:

1)随着导洞位置的下移，正洞拱顶 A、上台阶 B、中台阶C的径向位移释放率均随之小幅减小。正洞下台阶D位移释放率略有增加。

图4 导洞不同位置与释放率关系曲线

2)综合分析数值计算结果及导洞和正洞开挖的施工条件，导洞尺寸为7.6 m×5.5 m、导洞拱顶距正洞拱顶为2.5 m时，可取得较好的综合释放效果，即现场选择的导洞位置是合理的。

3 结论及建议

1)合理的导洞尺寸及位置可有效地使正洞周边在导洞开挖后产生较大的预位移，从而较大程度地减少正洞开挖后初期支护的变形量。

2)在导洞位置不变的条件下，当高度一定时，随着导洞宽度的增加，释放率呈较大幅度的线性增长。当宽度一定时，随着导洞向下高度的增加，释放率亦呈较大幅度的线性增加。此外，导洞宽度和高度的变化对拱顶下沉释放率的影响明显小于对其余各监测点释放率的影响。

3)综合分析各工况结果并结合现场施工实际的可行性，当导洞尺寸宽×高为7.6 m×5.5 m，导洞拱顶距正洞拱顶距离为2.5 m时，可取得较好的综合释放效果，A，B，C，D 各点释放率分别为37%，54%，72%和59%。

［1］卿三惠，黄润秋．乌鞘岭隧道软岩大变形防治技术问题探讨［J］．路基工程，2005(4):93-96．

［2］邓祥辉．考虑外水压力的山岭深埋隧道变形分析［J］．铁道建筑，2011(4):70-72．

［3］蔡景献，张继奎，方俊波．高地应力千枚岩大变形隧道支护参数试验研究［J］．隧道建设，2005(6):21-22．

［4］张民庆．兰渝铁路高地应力软岩隧道变形控制技术研究阶段报告［R］．北京:铁道部工程管理中心，2010．

［5］李国良，朱永全．乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形控制技术［J］．铁道工程学报，2008(3):54-58．

［6］李章树，张金凤．骡坪隧道施工围岩变形监测与分析［J］．铁道建筑，2010(11):43-45．