隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系及其協(xié)同作用研究

曾征

摘 要：為了提高公路隧道建設(shè)水平，本文首先探討了隧道失穩(wěn)機(jī)理和常見(jiàn)支護(hù)形式，隨后提出來(lái)隧道支護(hù)體系協(xié)同作用原理，并以某公路隧道為研究對(duì)象，以拱頂下沉和周邊收斂評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)分析其支護(hù)效果，研究成果可為類(lèi)似的隧道支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：公路隧道;支護(hù)體系;協(xié)同作用;加固效果

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)交通設(shè)施建設(shè)的不斷完善，公路工程的建設(shè)步伐也日益加快。在公路建設(shè)期間，為了提高公路指標(biāo)、降低開(kāi)挖工程量等，往往會(huì)采用隧道工程。但是，公路隧道地質(zhì)條件及斷面受力復(fù)雜，如果設(shè)計(jì)施工不當(dāng)可能出現(xiàn)隧道塌方事故，輕則影響施工進(jìn)度，重則造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。選擇經(jīng)濟(jì)合理的隧道支護(hù)方案已經(jīng)成為工程技術(shù)人員需要解決的重要問(wèn)題[1]。因此，研究隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系及其協(xié)同作用具有十分重要的工程意義。

1 公路隧道失穩(wěn)機(jī)理分析

理解公路隧道的破壞形式和破壞機(jī)理對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)至關(guān)重要。隧道破壞主要有兩種形式：一種是隧道開(kāi)挖出現(xiàn)臨空面，巖體自重荷載下產(chǎn)生掉塊現(xiàn)象;另一種是圍巖強(qiáng)度不足或支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，引起了隧道結(jié)構(gòu)大面積坍塌。這是因?yàn)槌跏紤?yīng)力狀態(tài)的巖體受到隧道開(kāi)挖活動(dòng)影響，會(huì)破壞巖體內(nèi)部的應(yīng)力平衡，引起圍巖內(nèi)部應(yīng)力的重新分布，從而導(dǎo)致圍巖變形或破壞。

1.1 軟弱巖體破壞

軟弱巖體的圍巖級(jí)別低、強(qiáng)度小，且可能充填富水泥沙，常表現(xiàn)為塑性屈服或彈塑性屈服。如果圍巖結(jié)構(gòu)較均勻時(shí)，隧道坍塌以拱形冒落為主;如果圍巖結(jié)構(gòu)不均勻，可能發(fā)生局部塌方、側(cè)鼓、底鼓等病害。

同時(shí)，隧道軟弱圍巖屈服變形基本是逐漸擴(kuò)展的，如層狀節(jié)理圍巖隧道的塌方是先由拱頂沿層理面滑移下沉產(chǎn)生豎向裂隙，使得邊墻應(yīng)力釋放，導(dǎo)致邊墻巖體崩落。此時(shí)，圍巖壓力會(huì)慢慢傳遞到隧道頂板，頂板應(yīng)力增加。當(dāng)頂板應(yīng)力值超過(guò)圍巖強(qiáng)度，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

1.2 碎裂巖體破壞

碎裂巖體破壞形式以崩塌與滑動(dòng)為主，其破壞規(guī)模受巖體碎裂程度、含泥量及巖塊間的接觸關(guān)系影響較大。如果碎裂圍巖中的巖塊間的接觸是剛性接觸，則巖體在變形期間巖塊會(huì)相互擠壓，產(chǎn)生較大阻力，隧道發(fā)生大規(guī)模塌方的可能性較小;反之，碎裂圍巖含泥量較高，巖塊間接觸以柔性接觸為主，支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，容易導(dǎo)致隧道圍巖大變形，直至坍塌。

2 公路隧道支護(hù)形式及協(xié)同作用系統(tǒng)

2.1 隧道常見(jiàn)支護(hù)形式

2.1.1 襯砌支護(hù)

襯砌是公路隧道應(yīng)用最廣泛的支護(hù)形式之一。襯砌結(jié)構(gòu)的柔性和整體性較好，可視作一種環(huán)形或拱形結(jié)構(gòu)體，其主要作用是防止關(guān)鍵塊體掉落，改善隧道巖層的應(yīng)力狀態(tài)，并對(duì)圍巖變形起著一定的約束作用，但并非依靠襯砌自身強(qiáng)度來(lái)承受?chē)鷰r塊體沖切壓力。隧道圍巖施加在襯砌的荷載包括偶然荷載、可變荷載和永久荷載三類(lèi)，其中偶然荷載發(fā)生概率較小，有爆炸沖擊、地震等災(zāi)害;可變荷載是隨時(shí)間變化的荷載，如車(chē)輛荷載、施工荷載等;永久荷載一般數(shù)值恒定或變化幅度極小，主要有結(jié)構(gòu)自重、土壓力、圍巖壓力等。

2.1.2 錨桿支護(hù)

用于隧道圍巖支護(hù)的常見(jiàn)錨桿形式有全長(zhǎng)粘結(jié)型（水泥漿、樹(shù)脂粘結(jié)等）、端頭錨固型（機(jī)械式、粘結(jié)式等）、摩擦型（楔管式、縫管式等）和混合型。錨桿構(gòu)造形式簡(jiǎn)單，由墊板、錨桿、錨固體等部件組成，其支護(hù)隧道的最大特點(diǎn)是從巖體內(nèi)部來(lái)約束圍巖變形，主要功能有：第一，提供支護(hù)阻力;第二，將預(yù)應(yīng)力傳遞至隧道壁;第三，在錨固圍巖范圍內(nèi)形成壓應(yīng)力區(qū)，改善圍巖應(yīng)力狀分布;第四，提高圍巖整體性，并增強(qiáng)圍巖承受拉力、剪力的能力[2]。此外，隧道圍巖特性不同，錨桿中的力學(xué)傳遞計(jì)算有很大差別，對(duì)力學(xué)傳遞影響較明顯的參數(shù)有圍巖粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗壓強(qiáng)度。

2.1.3 鋼架支護(hù)

鋼架為剛性結(jié)構(gòu)，主要用于隧道開(kāi)挖的初期支護(hù)，并配合初期支護(hù)來(lái)提高支護(hù)體系的承載范圍。鋼架支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是減小鋼架與圍巖之間的縫隙，使鋼架與圍巖共同受力，填隙處理一般混凝土墊塊。

根據(jù)使用材料不同，鋼架可分為鋼拱架和格柵鋼架兩類(lèi)，前者剛度大，承載能力強(qiáng);后者重量輕，受力均勻，且能與隧道圍巖緊密貼合。

2.2 隧道支護(hù)協(xié)同作用系統(tǒng)

由協(xié)同理論可知，大量子系統(tǒng)的協(xié)同作用會(huì)使得整體系統(tǒng)從無(wú)序向有序過(guò)渡。就公路隧道圍巖支護(hù)而言，協(xié)同作用就是各種支護(hù)形式根據(jù)一定的工作方式組合為一個(gè)整體，共同提高圍巖承載能力和穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)隧道圍巖的最佳支護(hù)效果，可將支護(hù)體系間的協(xié)同作用劃分成體系協(xié)同、結(jié)構(gòu)協(xié)同和要素協(xié)同等。

3 公路隧道支護(hù)協(xié)同作用效果評(píng)價(jià)

以某公路隧道為研究對(duì)象，通過(guò)軟件FLAC3D建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析隧道支護(hù)體系的協(xié)同作用效果，評(píng)價(jià)指標(biāo)采用拱頂下沉和周邊收斂。

3.1 工程概況

該隧道全長(zhǎng)1 275 m，起訖樁號(hào)左線ZK24+740～ZK26+015，最大埋深約58.62 m，設(shè)計(jì)圍巖為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（Ⅴ級(jí)），局部夾中風(fēng)化，巖層軟硬不均，裂隙發(fā)育，巖體極破碎，自穩(wěn)能力差，無(wú)支護(hù)時(shí)拱部易坍塌，側(cè)壁易失穩(wěn)，開(kāi)挖工法為上下臺(tái)階預(yù)留核心土，圍巖開(kāi)挖后采用XS-Ⅳc襯砌+鋼架+錨桿進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。

3.2 隧道有限元模型建立

3.2.1 模型幾何邊界及參數(shù)

由相關(guān)研究結(jié)果可知，隧道塌方發(fā)生時(shí)掌子面的空間效應(yīng)影響范圍約為2倍開(kāi)挖洞徑。為了減小空間效應(yīng)的影響，計(jì)算斷面選擇距開(kāi)挖面30 m的斷面。利用FLAC3D建立隧道模型時(shí)，將其視為平面應(yīng)變問(wèn)題來(lái)分析，Y方向長(zhǎng)度取1，隧道圍巖范圍4倍開(kāi)挖洞徑。模型初始應(yīng)力場(chǎng)設(shè)為重力應(yīng)力場(chǎng)，其左邊界、右邊界、下邊界進(jìn)行X方向、Y方向、Z方向完全約束;上邊界為自由邊界，可發(fā)生豎向壓縮變形和水平位移。隧道圍巖及襯砌參數(shù)按照相關(guān)設(shè)計(jì)資料、巖土勘察報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)等確定。

3.2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格數(shù)量對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果和計(jì)算效率影響較大。在綜合考慮圍巖應(yīng)力變形精確度和計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度前提下，將隧道斷面區(qū)域的網(wǎng)格劃分，向外逐漸變稀。其中隧道開(kāi)挖采用空模型，隧道的襯砌和仰拱采用shell單元，共劃分出2 865單元，3 428個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

開(kāi)挖后隧道在進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)后，拱頂變形和周邊收斂有了明顯的降低，此時(shí)拱頂累計(jì)位移為26.2 mm，周邊收斂累計(jì)值為40.5 mm。隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加，拱頂沉降和周邊收斂是持續(xù)增加，但增加速率逐漸變緩。即當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間小于40 d，拱頂沉降和周邊收斂的變化速率較快（近似線形）;當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間超過(guò)40 d，拱頂沉降和周邊收斂變化幅度較小，此時(shí)隧道的拱頂下沉速率<0.5 mm/d，周邊收斂速率<1.0 mm/d，滿(mǎn)足《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3660-2020）中關(guān)于允許變形速率的規(guī)定。

4 結(jié)語(yǔ)

本文深入分析了公路隧道支護(hù)類(lèi)型、支護(hù)體系間的協(xié)同作用系統(tǒng)及效果，主要得到以下幾個(gè)方面的結(jié)論：（1）隧道常見(jiàn)支護(hù)形式有襯砌支護(hù)、錨桿支護(hù)、鋼架支護(hù)等。（2）隧道圍巖的各種支護(hù)形式能協(xié)同作用，共同提高圍巖承載能力和穩(wěn)定性。（3）隧道支護(hù)體系間的協(xié)同包括體系協(xié)同、結(jié)構(gòu)協(xié)同和要素協(xié)同等。（4）隧道支護(hù)體系間的協(xié)同作用能提高圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性，建議推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫振宇，張頂立，房倩，等.隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2021，43（3）：530-539.

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[3]張頂立，孫振宇，侯艷娟.隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系及其協(xié)同作用[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2019，51（2）：577-593.