曾凡杰 蒋玉兵 黄剑鹏
中机中联工程有限公司 400039
摘要：由于软岩的变形具有特殊性，因而其支护控制变形的理念也有所不同。为了探讨软岩地质条件下支护结构的作用效果，本文以某引水隧洞为工程背景，采用FLAC3D软件对隧洞的开挖及支护进行模拟，分析了不同开挖方式、不同埋深下围岩位移、支护结构应力及塑性区结果。结果表明在软岩地质情况下：采用圆形全断面法开挖，洞周未出现明显的应力集中部位，并便于施工组织设计，在隧洞穿越破碎的Ⅴ级围岩区时采用超前支护，可以有效控制围岩变形；支护结构能对软岩塑性区范围的发展进行有效的控制；在隧洞支护中起主要作用的是初期支护，二次衬砌主要作为安全储备。
关键词：软岩；应力释放；围岩变形；支护结构
1 引言
软岩特有的性质对工程存在很大的影响，所以软岩力学性质及其它特性的研究即是众多学者关心的问题。目前，软岩的各种特性已经有了比较深入的研究：郭志讨论了软岩的基本特性，总结了软岩力学性质的变化特征，并且提出了软岩强度的取值原则[1]；何满潮等分析了软岩洞室开挖的力学特性[2]；黄成林等用数值模拟软岩隧道开挖方法对围岩变形的影响[3]。然而，上述研究都只是针对软岩本身特性或者软岩开挖后围岩的变形进行的，对支护在软岩隧洞中作用效果的研究则相对较少。
本文以某引水隧洞为工程背景，采用FLAC3D对软岩段深埋引水隧洞的开挖及支护进行模拟分析。从而探讨软岩地质条件下支护结构对围岩的作用效果。
2支护原理
软岩地下工程支护和硬岩地下工程支护原理截然不同，这是由它们的本构关系不同所决定的[4]。硬岩地下工程支护不允许硬岩进入塑性，因进入塑性状态的硬岩将丧失承载力。而软岩地下工程支护必须允许软岩进入塑性状态，而且以达到其最大塑性承载力为最佳；软岩地下工程的另一个独特之处是，其巨大的塑性能必须以某些形式释放出来，以免对支护形成较大的压力[5]。
同时，软岩隧洞围岩的变形具有明显的时间性，因此软岩隧洞存在最佳支护时间，即以变形的形式转化的工程里与围岩自撑力同时达到最大的支护时间[6-8]。但这两部分又是相互制约相互矛盾的，且以变形的形式转化的工程力不能不切实际的大，否则造成围岩变形失稳，且它的增大必然减小围岩自撑力。要同时满足这两部分最大，其关键是选取变形能释放的时间和支护时间。
为了探讨在软岩地质条件下，隧洞开挖、支护后围岩的变形位移及支护结构应力的变化和支护的最佳时机，本文对隧洞的开挖及支护进行数值仿真模拟。
3 数值分析
该引水隧洞穿越软岩段的地域范围广，地形、地质条件复杂。洞体深埋于山体基岩之内，其中以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，Ⅳ级围岩占洞线总长的39.0%，Ⅴ级围岩洞线总长的15.8%。
根据《岩石力学参数手册》的相关要求及规定[9]，选取适当的计算参数并建立合理的计算模型。隧洞开挖断面为圆形截面，洞径3.7 m。由于隧洞围岩及支护结构的对称性，只需取一半建模。同时考虑开挖与空间效应的影响[10]，模型纵向长度Ⅴ级围岩取80m，网格划分长度取1.5m，横向取40m，模型底部距隧洞底近30m，满足3~5倍隧洞直径的计算精度条件。
4 计算结果分析
本节在对Ⅴ级围岩隧洞的开挖及支护进行数值模拟后，对计算结果进行对比分析，包括不同开挖及支护条件下、不同埋深下围岩位移、支护结构应力及支护前后围岩塑性区大小。
4.1 不同开挖及支护条件下计算结果分析
在Ⅴ级围岩条件下，分别采用毛洞开挖、全断面开挖、全断面超前支护开挖和上下台阶开挖，然后对比四种开挖方法下的围岩位移。
当用四种方法开挖隧洞稳定后，提取洞顶处的位移分析得出各种隧洞开挖支护方法下，隧洞位移变化对比，计算结果表明：毛洞开挖时围岩的最大位移出现在隧洞洞顶处，最大值为12.41cm；对比毛洞开挖，其他三种开挖方法下对软弱围岩隧洞进行支护时效果明显；其他三种开挖方法隧洞洞顶处最终位移分别为2.93cm、2.49cm、2.93cm，从位移变化得出当施加初期支护后，隧洞洞周位移得到了有效的控制，但是由于隧洞初期支护没有封闭，在隧洞下部较小范围内没有支护，从而使洞底位移在数值上超过洞顶，但在允许范围之内，在施加二衬支护之后将得到有效的控制。
4.2 支护前后塑性区结果分析
隧洞开挖后，引起围岩应力重新分布，特别是开挖洞周，往往会引起洞周围岩应力过大而产生塑性破坏。计算结果表明在Ⅴ级围岩级别下：毛洞开挖时塑性区主要集中在隧洞两侧稍靠上位置，塑性区直径达20m左右；添加支护结构后，塑性区主要集中在洞周洞腰附近及稍靠下位置，塑性区直径为9.3m。支护结构提供的支撑，控制围岩向隧洞内变形及应力的发展，塑性区范围得到了极大的控制，屈服单元体明显减少，表明所做支护结构作用明显，有利于改善洞室的受力状态。
4.3 不同埋深下计算结果分析
在48.9m、100m、148.9m、248.9m四种不同埋深条件下进行隧洞全断面开挖，对模拟结果分别提取隧洞围岩和支护结构的位移变形、应力（围岩应力取洞周20m×40m范围内的最大值）：
对比隧洞洞周围岩位移变形、应力分布及支护结构内力，分析了不同埋深条件下围岩及支护结构的变化结果。隧洞开挖施加支护结构后，隧洞洞周围岩位移、应力及支护结构主要内力随埋深增加基本上都呈现递增趋势，从分析得知起支护作用的主要是初期支护，二衬主要作为安全储备。同时由于支护结构主要覆盖隧洞上半部分，从而造成各应力的最大值处主要集中在隧洞洞腰靠下位置。
5 结论
在对Ⅴ级隧洞软弱围岩数值模拟的基础上，分析了隧洞围岩变形、应力特征及支护结构内力变化，得到了一些结论：
（1）围岩的收敛位移在开挖后并不是瞬间完成的，对于软岩隧洞，收敛变形在开挖后具有明显的时间效应，为了维护围岩稳定，并考虑一定的经济效益，施作支护要掌握适当的时机；
（2）在本文依托工程条件下，隧洞采用上下台阶开挖时洞周围岩位移较全断面开挖时小，但差别不大，考虑施工组织设计及经济因素，一般采用全断面开挖。采用圆形全断面开挖时，在洞周形成环形低应力区，洞周未出现明显的应力集中部位。在隧洞穿越破碎的Ⅴ级围岩区时采用超前支护，可以有效控制围岩变形；
（3）软弱围岩隧洞中，支护结构能较大的减小塑性区的范围，其提供的支护力能有效控制围岩的变形；
（4）不同埋深条件下隧洞开挖施加支护结构后，隧洞洞周围岩位移、应力及支护结构主要内力随埋深增加基本上都呈现递增趋势。且在相同埋深下，隧洞开挖后随着时间的推移，二衬最大主应力变化不大，且其值远小于初期支护的最大主应力，这与实际结果吻合，表明在隧洞支护中起主要作用的是初期支护，二次衬砌主要作为安全储备。
参考文献：
[1]郭志.软岩力学特性研究[J].工程地质学报，1996，4（3）：79-84
[2]何满潮，李春华，王树仁.大断面软岩洞室开挖非线性力学数值模拟[J].岩土工程学报，2002，7（4）：483-486
[3]黄成林，罗学东，吕乔森.软岩隧道开挖方法对变形影响数值模拟[J].铁道建筑，2011（11）：35-38
[4] 何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程地质力学研究进展[J].工程地质学报，2000，8（1）：46-62
[5] 何满潮，煤矿软岩变形力学机制与支护对策[J].水文地质工程地质，1997（2）：12-16
[6] 王永刚，任伟中.软弱围岩的蠕变损伤特性及最佳支护时间[J].中国铁道科学，2007，1（1）：50-54
[7]范秋雁，朱维伸.软岩最优支护计算方法[J].岩土工程学报，1997，19（2）：77-83
[8]景海河，何满潮，孙晓明，段庆伟.软岩巷道支护荷载的确定方法[J].中国矿业大学学报，2002，9（5）:376-378
[9]岩石力学参数手册[M].北京：水利水电出版社
[10]赵旭峰，王春苗，孔祥利.深部软岩隧道施工形态时空效应分析[J].岩石力学与工程学报，2007，26（2）：404-409