軟弱圍巖隧道施工技術(shù)與穩(wěn)定性研究

劉振斌

摘要：為了研究軟弱圍巖隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)方案，文章選取西南地區(qū)某高速公路中一個(gè)含軟弱圍巖隧道為研究對象，通過前期勘察和上下臺階開挖方法，結(jié)合Midas NX有限元軟件進(jìn)行開挖過程中的位移和應(yīng)力計(jì)算，得到開挖過程中仰拱上揚(yáng)、拱頂下沉、邊墻及拱腳外擴(kuò)等位移變化規(guī)律，以及隨著施工步驟的增加，圍巖應(yīng)力的釋放規(guī)律。研究結(jié)果表明該支護(hù)結(jié)構(gòu)在軟弱圍巖的是可行的。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖;支護(hù)結(jié)構(gòu);Midas NX;隧道施工

中圖分類號：U451+.2A371333

0 引言

我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開交通的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也在帶動交通不斷發(fā)展，我國交通網(wǎng)絡(luò)越來越發(fā)達(dá)，不僅里程總數(shù)在不斷增加，其技術(shù)也在不斷地發(fā)展創(chuàng)新。山嶺地區(qū)的高速公路穿越山嶺一直是工程上的一大難點(diǎn)，傳統(tǒng)的“寧繞勿穿”施工理念不僅使得道路距離大量增加，還會浪費(fèi)大量的資源。隧道技術(shù)的發(fā)展正在慢慢解決這個(gè)問題，越來越多的大跨距的隧道工程隨著隧道施工技術(shù)的不斷發(fā)展而出現(xiàn)在人們的視野之中[1-3]，體現(xiàn)出其重要性。

隨著高速公路向著越來越偏遠(yuǎn)的地區(qū)發(fā)展，復(fù)雜的地質(zhì)條件導(dǎo)致隧道施工的難度也在不斷增加，隧道施工中最重要的就是根據(jù)不同的圍巖類型設(shè)計(jì)出相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)和施工方案，確保隧道的整體穩(wěn)定性和工程安全性?，F(xiàn)在工程上常用的新奧法是建立在現(xiàn)代巖石力學(xué)理論基礎(chǔ)之上的一種施工方法，該方法主要是利用圍巖的自身承載能力，加上輔助錨噴支護(hù)和混凝土等加固手段，以提升圍巖的整體穩(wěn)定性[4-5]。但是隨著施工環(huán)境的變化，圍巖的塑性區(qū)域會較以前有所擴(kuò)大，圍巖的整體穩(wěn)定性減弱和位移增加問題給施工技術(shù)和傳統(tǒng)的圍壓認(rèn)知體系提出了新的挑戰(zhàn)[6-10]。

在目前的隧道工程建設(shè)上，存在的最主要的問題仍然是支護(hù)結(jié)構(gòu)問題，在不同的施工環(huán)境之下，如軟弱圍巖等，如何保證初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力、錨桿的功能和二次襯砌的安全性等問題。為了解決以上問題，就需要充分考慮圍巖的類型、受力特點(diǎn)和變形因素，根據(jù)因素之間的協(xié)調(diào)作用設(shè)置合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)，以確保施工的科學(xué)性與可行性。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

為了研究軟弱圍巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文選取西南地區(qū)某高速公路中一個(gè)隧道為研究對象，這條高速公路穿過大量的山嶺地區(qū)，橋隧比例高達(dá)72%左右，本次研究的隧道綜合考慮了地質(zhì)條件和地形地貌等影響因素，避開大斷層和大坡度，為單純研究圍巖穩(wěn)定性對于隧道工程整體安全性減少了許多其他因素。經(jīng)過地質(zhì)調(diào)查，得到該隧道內(nèi)圍巖等級的劃分情況如表1所示，從表中可以看出，該隧道軟弱圍巖占比居多，因此需對軟弱圍壓狀態(tài)下的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以確保工程的整體安全性。

除了上述圍巖等級，氣溫、降雨和地下水等因素也是隧道工程施工必須考慮的因素，經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，總體特征表現(xiàn)為夏季炎熱、冬季寒冷和雨量較多。該地區(qū)年平均氣溫為14.4 ℃，偶爾最高氣溫可達(dá)40 ℃，偶爾最低氣溫可至-8 ℃;年平均降雨量為487 mm，主要多集中在夏季的7、8和9月，這三個(gè)月總的降雨量占全年降雨量的50%以上;隧道施工區(qū)的地下水類型主要為基巖裂隙水，包括基巖風(fēng)化和構(gòu)造兩類裂隙水，洞身區(qū)域的地下水主要為構(gòu)造裂隙水，洞口等其余地方地下水主要為基巖風(fēng)化裂隙水。通過分析以上數(shù)據(jù)，對于地下涌水量制定出的預(yù)測方法為降水入滲法和地下徑流模數(shù)法兩種。

1.2 計(jì)算模型

在確定了圍壓等基本地質(zhì)參數(shù)后，為了探究支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，就需要研究圍巖在開挖過程中的應(yīng)力和變形情況。本文為了研究圍巖在開挖過程中的情況，引入Midas NX有限元軟件，對洞口段Ⅵ圍巖進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算參數(shù)包括隧道埋深22 m、側(cè)向取值46 m、下方深度22 m、隧道斷面及幾何尺寸和支護(hù)結(jié)構(gòu)體系按設(shè)計(jì)要求。圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2和表3所示。

開挖方法為上下臺階開挖法，這種方法雖然施工步驟較多，但是能充分地發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)定性，施工步驟分為以下9個(gè)：（1）激活初始狀態(tài)下的相關(guān)參數(shù);（2）對施工巖體進(jìn)行鈍化開挖，并釋放40%荷載系數(shù);（3）激活上部分支護(hù)結(jié)構(gòu)，并釋放30%荷載系數(shù);（4）對第三步剩余荷載系數(shù)進(jìn)行釋放;（5）鈍化開挖下部分掩體，并釋放40%荷載系數(shù);（6）激活下部分支護(hù)結(jié)構(gòu)，并釋放30%荷載系數(shù);（7）對第六步剩余荷載系數(shù)進(jìn)行釋放;（8）鈍化開挖仰拱區(qū)域，并激活其支護(hù)結(jié)構(gòu);（9）激活二次襯砌部分并改變相應(yīng)屬性。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 圍巖位移分析

通過研究圍巖的位移變化可以直觀地對圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，本次主要計(jì)算拱頂、仰拱和拱腳等幾個(gè)重要點(diǎn)的位移變化，規(guī)定仰拱向上、拱頂向下、拱腳和邊墻向向內(nèi)的位移為正，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，隧道開挖圍巖的主要位移變化集中在拱頂和仰拱，拱墻和拱腳位移很小，拱墻的最大位移量為2.1 mm，而拱腳的最大位移量為1.87 mm，可以認(rèn)為圍巖自身穩(wěn)定性良好;拱頂?shù)闹饕冃渭性谇?個(gè)施工步驟，之后變形趨于穩(wěn)定，最大變形量穩(wěn)定在11.3 mm左右;而仰拱的主要變形集中在前7個(gè)施工步驟，之后變形逐漸穩(wěn)定，最后的值穩(wěn)定在12 mm左右。針對得到的結(jié)果可知，仰拱上揚(yáng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，至于拱頂?shù)南鲁?，隨著施工步驟的增加，變形能達(dá)到穩(wěn)定，可以認(rèn)為圍巖自身能穩(wěn)定其變形?？傮w來說，該種方法和設(shè)計(jì)能滿足相應(yīng)的工程要求。

2.2 圍巖應(yīng)力分析

圍巖不同點(diǎn)的應(yīng)力值是能直接反應(yīng)該點(diǎn)受力情況的，因此研究在開挖過程中，特殊點(diǎn)的最大和最小主應(yīng)力的值就能得到該點(diǎn)是否會存在安全隱患，在上下臺階開挖過程中，各處點(diǎn)的最大和最小主應(yīng)力圖如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，在初始狀態(tài)下拱頂、拱墻、拱腳、仰拱的最大主應(yīng)力分別是：-296.4 kPa、-273.5 kPa、-281.9 kPa、-202.8 kPa。從圖中還可以看出，隨著施工步驟的進(jìn)行，不同點(diǎn)的最大主應(yīng)力變化情況和趨勢并不一致，但是都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是在7個(gè)施工步驟以后，所有點(diǎn)的最大主應(yīng)力值都趨于平穩(wěn)，且都較初始值有所減小，除了拱腳應(yīng)力值減小較多，其余地方變化并不是很大，需要特別注意的地方就是拱腳在前四個(gè)施工步驟時(shí)其最大主應(yīng)力都是在上升的過程，且最大能達(dá)到-450 kPa左右，施工中需要進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)對措施。

最小主應(yīng)力能間接證明上述最大主應(yīng)力的準(zhǔn)確性，從圖3可以看出，與最大主應(yīng)力變化趨勢有相似之處，那就是最小主應(yīng)力也是在第7個(gè)施工步驟以后，都趨于平穩(wěn)。且能看出，施工開始時(shí)，最小主應(yīng)力能得到迅速釋放，隨著施工繼續(xù)進(jìn)行，是為了找到一個(gè)穩(wěn)定的情況，拱頂在應(yīng)力釋放后，值穩(wěn)定在-0.78 MPa左右，待下面開挖后，應(yīng)力再次得到釋放，說明該種方法對于圍巖的穩(wěn)定性有很好的效果，能充分地發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

本文通過選取西南地區(qū)某高速公路中一個(gè)含軟弱圍巖隧道為研究對象，通過前期勘察和上下臺階開挖方法，結(jié)合Midas NX有限元軟件進(jìn)行開挖過程中的位移和應(yīng)力計(jì)算，得到開挖過程中仰拱上揚(yáng)、拱頂下沉、邊墻及拱腳外擴(kuò)等位移變化規(guī)律，以及圍巖應(yīng)力隨著施工步驟增加的釋放規(guī)律。所有結(jié)果均表明，該支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于軟弱圍巖隧道施工是可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]重慶建筑工程學(xué)院，同濟(jì)大學(xué)，編.巖體力學(xué)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1981.

[2]何滿潮，競海河，孫小明.軟巖工程力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[3]徐干成，鄭穎人，白洪才，等.地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[4]張延新，蔡美峰，喬 蘭，等.高速公路隧道開挖與支護(hù)力學(xué)行為研究.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2006，25（6）：1 284-1 289.

[5]JTGD70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]焦艷紅.公路隧道圍巖壓力分析[J].科學(xué)之友.2011（1）：1～2.

[7]張毅才.隧道工程（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2011，11，65～66.

[8]劉 運(yùn).高速公路下穿隧道施工仿真分析[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[9]王明年，陳煒韜，劉大剛，等，公路隧道巖質(zhì)和土質(zhì)圍巖統(tǒng)一亞級分級標(biāo)準(zhǔn)研究[J].巖土力學(xué)，2010，31（2）：547～552.

[10]陳毫雄，殷 杰.隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，1995.

收稿日期：2020-05-10