高地應(yīng)力軟巖隧道初期支護優(yōu)化研究*

邵珠山，李 希，趙南南，張 喆，喬汝佳

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，陜西 西安 710055)

0 引言

近年來，隨著我國交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，鐵路隧道建設(shè)已取得巨大的突破，現(xiàn)階段已投入運營的隧道達到17 000座[1]。在隧道的建設(shè)過程中，穿越不良地質(zhì)現(xiàn)象已成為常態(tài)，其中直邊墻軟巖隧道因其特殊斷面形式以及圍巖較差等原因極易發(fā)生大變形，隨之而來的拱架扭曲、襯砌開裂及侵限問題的出現(xiàn)給隧道支護結(jié)構(gòu)以及正常施工帶來極大的安全隱患，已成為工程界關(guān)注的焦點與難點問題[2]。

目前，關(guān)于隧道變形控制及支護優(yōu)化的研究方法主要以理論分析、現(xiàn)場試驗監(jiān)測以及數(shù)值模擬為主。其中劉宇鵬等[3]、李岳等[4]考慮應(yīng)變軟化特性的深埋隧道彈塑性解，分析高地應(yīng)力軟巖隧道錨桿支護原理，提出隧道長、短錨桿聯(lián)合支護的方法；周楊等[5]通過理論計算的方式對軟巖隧道應(yīng)用自旋注漿錨管可行性進行分析，為軟巖隧道支護技術(shù)研究提供新方法；王偉等[6]通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測方式對軟巖隧道洞口淺埋段圍巖變形特征及支護措施進行研究，提出適用于大法郎隧道的變形控制措施；王道遠等[7]、Huang等[8]通過在施工現(xiàn)場對4種圍巖大變形試驗性支護方案進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對比不同方案的支護效果，得出解決中義隧道大變形的合理支護方案；鄧斌等[9]、Wang等[10]以油坊坪隧道為例通過數(shù)值模擬對原有支護方案進行弱化錨桿并增強初期支護強度，分析隧道變形以及支護受力情況，選擇合理的初期支護參數(shù)，進行現(xiàn)場應(yīng)用驗證其有效性;李雪峰等[11]、Yan等[12]結(jié)合現(xiàn)場隧道變形監(jiān)測與數(shù)值模擬分析，通過改變隧道支護參數(shù)，研究隧道在不同支護參數(shù)下的變形以及支護受力情況，對隧道原有的支護參數(shù)進行調(diào)整應(yīng)用。雖然關(guān)于隧道的變形控制與支護優(yōu)化的研究已有很多，但施工過程中支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)、設(shè)計參數(shù)以及施工方法的研究仍不夠深入，且變形控制措施的提出缺乏理論依據(jù)。此外營盤山隧道斷面形式與常規(guī)隧道有所不同，較多支護優(yōu)化方法并不能完全適用于該隧道的變形治理。

本文以營盤山隧道為例，研究不同邊墻曲率及支護參數(shù)對隧道變形的控制效果，由此得到合理的邊墻曲率與支護參數(shù)組合，并通過圍巖-支護特征曲線對優(yōu)化后的支護方案進行安全評價，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證支護優(yōu)化方案的合理性，為后期該隧道及類似工程支護優(yōu)化提供參考。

1 營盤山隧道的變形分析

1.1 工程概況

營盤山隧道位于大瑞鐵路上壩站-永新站之間，呈東西向展布。隧道最大埋深約為450 m，地應(yīng)力水平極高，圍巖較差，施工過程中揭露的圍巖為中～強風(fēng)化白云巖夾灰?guī)r。隧道變形段的地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 隧道變形段的地質(zhì)剖面

隧道在進入大變形段施工時變形突增，在邊墻處出現(xiàn)較大的變形，表現(xiàn)為襯砌開裂、初支侵限以及拱架扭曲變形，如圖2所示。通過持續(xù)對該區(qū)段監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，隧道最大水平收斂達到256 mm，為控制隧道水平方向大變形，參建單位及時對支護方案進行調(diào)整,調(diào)整后隧道水平收斂減少至187.9 mm，但依然超過監(jiān)測預(yù)警值。為此現(xiàn)場對掌子面進行暫時封閉，并施加臨時仰拱等加固處置措施，持續(xù)對該區(qū)段進行監(jiān)測及試驗工作。

圖2 隧道邊墻大變形災(zāi)害

1.2 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

隧道支護參數(shù)見表1，為進一步分析隧道水平方向大變形的原因以及對原有支護參數(shù)進行優(yōu)化，在大水平變形段對圍巖變形及壓力進行監(jiān)測，測點的布設(shè)方案如圖3所示。其中，A～G為圍壓變形的監(jiān)測點；Z2～Z4，Y2～Y4為圍巖壓力監(jiān)測點。

表1 監(jiān)測斷面支護參數(shù)

根據(jù)圖3，在斷面相應(yīng)測點埋設(shè)土壓力盒，并按照監(jiān)測規(guī)程對監(jiān)測斷面進行圍巖變形及壓力的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖3 測點布設(shè)

由圖4(a)可知，隧道圍巖在剛開挖3～5 d變形發(fā)展較快，拱頂沉降最大變形速率約為11.8 mm/d；中臺階水平收斂變形速率最大約為21.4 mm/d，之后速率明顯降低；隧道在第17 d仰拱施作完畢，支護閉合成環(huán)，第20 d圍巖變形出現(xiàn)收斂的趨勢，并逐漸穩(wěn)定；由此說明支護結(jié)構(gòu)及早封閉成環(huán)可以使圍巖變形盡早收斂；第25 d左右，隧道變形逐漸穩(wěn)定，此時拱頂沉降、上臺階、中臺階及下臺階收斂分別為128.8,151.2,187.9,106.8 mm，相比下臺階，上臺階變形值明顯偏大。這是因為下臺階開挖不久后仰拱施工完畢，支護結(jié)構(gòu)成為1個整體，對于隧道圍巖變形約束能力增強，使得下臺階圍巖變形更易趨于收斂。

圖4 監(jiān)測斷面隧道變形與圍巖壓力時程曲線

由圖4(b)可知，圍巖壓力在監(jiān)測初期增長十分迅速，期間監(jiān)測數(shù)據(jù)雖有波動但仍具有上升的趨勢，在第25 d左右時隧道圍巖壓力逐漸趨于穩(wěn)定。從圍巖壓力穩(wěn)定后的分布來看，隧道左拱腰與右拱腰處圍巖壓力最大，但與其他部位差值較小，并且隧道斷面左右兩側(cè)圍巖壓力相差也較小，說明隧道并無偏壓現(xiàn)象。

隧道軟巖變形區(qū)段斷面洞高9.43 m，跨長6.86 m，邊墻的曲率較小，支護結(jié)構(gòu)對于圍巖水平方向的變形與壓力抵抗能力較弱，當圍巖變形與壓力水平增大時，其支護結(jié)構(gòu)抵抗變形能力減弱，極易發(fā)生破壞失穩(wěn)。

2 數(shù)值模擬計算分析

2.1 模型建立及參數(shù)選取

根據(jù)營盤山隧道的工程地質(zhì)特征，建立有限元模型，尺寸為100 m×100 m，縱向埋深為1.2 m(2個施工循環(huán)進尺)，通過在隧道頂部作用8.45 MPa的等效荷載來實現(xiàn)隧道400 m的實際埋深。隧道網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 隧道網(wǎng)格劃分

隧道開挖方式采取三臺階法，圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性單元，襯砌采用殼單元，錨桿采用桿單元。

模型材料參數(shù)見表2，拱架與噴射混凝土按式(1)進行等效考慮[13]。

表2 隧道模型參數(shù)

(1)

式中：E為等效后的彈性模量，GPa；Ec為噴射混凝土的彈性模量，GPa；Es為鋼拱架彈性模量，GPa；Ac為噴射混凝土的橫截面積，m2；As為鋼拱架的橫截面積，m2；A為襯砌橫截面積，m2。

2.2 既有支護方案的有限元分析

對隧道原有支護條件進行建模計算，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，隧道開挖支護完成后，拱頂處豎向變形為110.3 mm，水平方向最大變形發(fā)生在中臺階邊墻處，變形值為166.2 mm。

圖6 監(jiān)測斷面圍巖位移云圖

數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測結(jié)果對比曲線如圖7所示。由圖7可知，二者總體趨勢相近，隧道變形有所差異，這是因為隧道實際地質(zhì)情況復(fù)雜多變且現(xiàn)場測量誤差而導(dǎo)致存在偏差。但是偏差較小，且總體變化趨勢相近，因此所建模型可用于支護參數(shù)敏感性分析。

圖7 拱頂沉降實測與模擬曲線對比

2.3 邊墻曲率對于隧道變形影響分析

營盤山隧道水平大變形段支護結(jié)構(gòu)邊墻矢跨比僅為0.04。為探究邊墻矢跨比對于直邊墻大變形隧道水平方向變形的影響，在既有支護條件基礎(chǔ)上保持斷面高度不變，增加邊墻矢跨比，結(jié)果如圖8所示。

圖8 最大水平收斂與邊墻曲率關(guān)系曲線

由圖8可知，隧道的最大水平收斂在邊墻矢跨比較小時，隨著邊墻矢跨比增大而減小，當邊墻矢跨比達到0.12時，隧道的最大水平收斂為129.8 mm，較原斷面形式減少22.1%。對試驗值進行擬合后發(fā)現(xiàn)當邊墻矢跨比為0.133時，最大水平收斂為127.3 mm，減少23.4%，當矢跨比超過0.133時，隧道水平變形不降反升，說明0.133為最優(yōu)邊墻曲率?？紤]到邊墻矢跨比越大，斷面面積就越大，所需耗材增多，故綜合考慮取邊墻矢跨比為0.12。

2.4 錨桿參數(shù)對于隧道變形影響分析

錨桿是常用隧道支護結(jié)構(gòu)措施之一，為分析錨桿參數(shù)對于隧道圍巖變形的影響，通過在既有支護條件基礎(chǔ)上改變錨桿長度與間距分析不同工況下隧道變形的情況，結(jié)果如圖9所示。

圖9 錨桿參數(shù)-隧道變形關(guān)系曲線

由圖9可知，隧道變形與錨桿長度呈非線性負相關(guān)，與錨桿間距呈非線性正相關(guān)，曲線整體趨勢較為平緩。當錨桿長度增長至5.0 m時，原邊墻矢跨比下隧道水平變形減少1.7%，拱頂沉降減少3.5%，邊墻矢跨比為0.12時水平變形減少2.8%；當錨桿間距加密至0.6 m時，原邊墻矢跨比下水平變形減少2.1%，拱頂沉降減少3.9%，邊墻矢跨比為0.12時水平變形減少4.1%。上述結(jié)果表明，邊墻矢跨比為0.12時錨桿參數(shù)的效能增強，錨桿長度增長至3.5 m，間距加密至0.8 m，曲線變化幅度變小。整體而言，增強錨桿參數(shù)隧道的變形改變幅度較小。因此在進行錨桿參數(shù)優(yōu)化時，可將錨桿長度設(shè)置為3.5 m，間距設(shè)置為0.8 m即可。

2.5 襯砌參數(shù)對于隧道變形影響分析

襯砌結(jié)構(gòu)的強度不足是導(dǎo)致隧道水平方向大變形的另一主要因素，通過在既有支護條件基礎(chǔ)上改變不同襯砌參數(shù)進行模擬計算，研究其變形特征，結(jié)果如圖10所示。

圖10 襯砌參數(shù)-隧道變形曲線

由圖10可知，隧道變形與襯砌厚度及彈性模量均呈非線性負相關(guān)，較之改變錨桿參數(shù)，改變襯砌參數(shù)后曲線變化趨勢較為明顯，圍巖變形控制效果更顯著。但當襯砌厚度與彈性模量增加至一定范圍后，曲線變化漸緩，襯砌對于變形約束效果降低，符合文獻[14]中支護抗力與隧道洞壁位移的關(guān)系及變化趨勢的結(jié)果。當襯砌厚度增加至0.4 m時，原邊墻矢跨比下水平變形減少28.7%，拱頂沉降減少23.5%，邊墻矢跨比為0.12時水平變形減少30.1%；當襯砌組合彈性模量增加至38 GPa時，原邊墻矢跨比下水平變形減少21.9%，拱頂沉降減少22.6%，邊墻矢跨比為0.12時水平變形減少25.6%。上述結(jié)果表明，墻矢跨比為0.12時襯砌參數(shù)效能增強，當襯砌厚度0.3 m、彈性模量增加至34 GPa時曲線逐漸變緩，繼續(xù)增強襯砌，對隧道變形的約束效果不再顯著。故綜合考慮經(jīng)濟性與實用性，可將襯噴射混凝土調(diào)整至0.3～0.35 m，不同鋼拱架以及噴射混凝土層組合后剛度調(diào)整至34～36 GPa即可。

3 支護方案優(yōu)化

3.1 基于圍巖-支護特征曲線的支護安全性評價

綜合考慮邊墻矢跨比、錨桿參數(shù)以及襯砌參數(shù)對于隧道變形的影響，最終選擇的支護優(yōu)化方案見表3。

表3 支護參數(shù)優(yōu)化方案

為預(yù)防隧道支護結(jié)構(gòu)病害以及定量分析上述支護方案的安全性能，從允許位移的角度定義支護結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，具體計算如式(2)所示[15]：

(2)

式中：Fs為安全系數(shù)；umax為最大支護阻力對應(yīng)位移；ueq為地層-支護特征曲線平衡時的位移；u0為先期位移。

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果繪制相應(yīng)支護方案的圍巖-支護特征曲線進行支護方案安全系數(shù)的計算，如圖11所示。其中，P1max為優(yōu)化方案的最大支護阻力，MPa；P2max為原方案的最大支護阻力，MPa；P1eq為優(yōu)化方案平衡點的支護阻力，MPa；P2eq為原方案平衡點的支護阻力，MPa；u1max為優(yōu)化方案的最大位移，mm；u2max為原方案的最大位移，mm；u1eq為優(yōu)化方案的平衡點位移，mm；u2eq為原方案的平衡點位移，mm。

圖11 拱頂處地層-支護特征曲線

由圖11可知，先期位移為25 mm，方案優(yōu)化前后的最大位移為110.3，73.2 mm，平衡時位移分別為104.0，53.5 mm。根據(jù)式(4)可計算出支護優(yōu)化方案前后的安全系數(shù)為1.07，1.93。上述數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化后的支護方案的安全性能較之前顯著增強，能夠滿足支護結(jié)構(gòu)的安全需求，由此方法可計算出支護結(jié)構(gòu)其他部位的安全系數(shù)，如圖12所示。

圖12 初期支護安全系數(shù)

由圖12可知，支護優(yōu)化方案的安全性能較之前顯著提高，能夠滿足隧道施工以及運營安全要求，故將優(yōu)化后的支護方案應(yīng)用于施工現(xiàn)場。

3.2 優(yōu)化方案的現(xiàn)場應(yīng)用

支護優(yōu)化方案應(yīng)用區(qū)段均未再次發(fā)生開裂、鼓出等現(xiàn)象，說明方案的安全性能滿足要求，隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖13所示。

圖13 支護優(yōu)化后隧道變形時程曲線

由圖13可知，隧道變形穩(wěn)定后拱頂沉降最大達到57.9 mm，上、中及下臺階收斂達到52.1，67.4，46.3 mm，變形較之前明顯降低，說明優(yōu)化后的支護設(shè)計參數(shù)對圍巖變形約束效果顯著?？傊?，增加隧道邊墻矢跨比及增強初期支護參數(shù)可以有效解決高地應(yīng)力直邊墻軟巖隧道大變形問題。

4 結(jié)論

1)現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)原有“馬蹄形”斷面形式下隧道拱腰與邊墻處的變形及受力較大，邊墻矢跨比調(diào)整為0.12時隧道水平方向的變形得到有效控制。

2)通過數(shù)值模擬分析不同支護參數(shù)作用下隧道變形情況，發(fā)現(xiàn)較之錨桿加固，增強襯砌結(jié)構(gòu)的強度可以有效提高初期支護對于該隧道大變形的抵抗能力。但是支護參數(shù)增強至一定范圍后，變形約束效果并未明顯提高。

3)通過數(shù)值分析原有邊墻矢跨比以及邊墻矢跨比為0.12時支護參數(shù)的變形控制效果，發(fā)現(xiàn)邊墻矢跨比為0.12時錨桿以及襯砌參數(shù)作用效能更高。

4)基于圍巖-支護特征曲線理論對隧道支護方案進行安全評價，發(fā)現(xiàn)支護優(yōu)化方案的安全性能較之前顯著增強，經(jīng)后期現(xiàn)場應(yīng)用監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)隧道的變形大幅減少，支護結(jié)構(gòu)并未發(fā)生破壞失穩(wěn)的現(xiàn)象，為同類工程施工提供參考。