松散巖堆隧道洞口段初期支護(hù)厚度對隧道穩(wěn)定性影響研究

姜以安 王宗學(xué) 黎萬寶

摘要：文章針對散巖堆積體隧道洞口段圍巖極其破碎、自穩(wěn)能力差的特點(diǎn)，采用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的手段，分析和探討了隧道洞口段不同厚度的初期支護(hù)對隧道洞周位移及應(yīng)力的影響特征。研究結(jié)果表明：在3種不同工況下隧道洞口段開挖引起的洞周收斂呈拱腳>拱腰>拱肩的分布規(guī)律，隧道拱頂產(chǎn)生較大沉降，隧道拱底產(chǎn)生較大隆起，但增加初支厚度對位移的限制效果有限;在3種不同工況下初期支護(hù)最大主應(yīng)力最大值主要出現(xiàn)在隧道拱腳位置，最小主應(yīng)力的最大值主要出現(xiàn)在拱肩位置，最大剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置與最小主應(yīng)力出現(xiàn)位置相同;3種不同工況下洞周位移和初期支護(hù)應(yīng)力在分布規(guī)律上未出現(xiàn)明顯區(qū)別，隨著初期支護(hù)厚度的增加而減小。

[作者簡介]姜以安（1977—），男，本科，工程師，從事公路、橋梁、隧道施工技術(shù)管理工作。

近年來，隨著我國對西部的建設(shè)和開發(fā)，隧道已經(jīng)成為穿越山嶺地形的必不可少的工程。由于西部地區(qū)“兩山夾一谷”的地形特點(diǎn)，很多隧道洞口段處于松散堆積體上。松散堆積體隧道洞口段圍巖極其破碎、自穩(wěn)能力差，隧道施工的難度和事故大大提高。因此，針對松散堆積體隧道洞口段施工往往需要著重考慮初期支護(hù)的參數(shù)，保證圍巖及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

為了解決松散堆積體隧道施工的問題，國內(nèi)外學(xué)者對其做了大量的研究。鄧永杰[1]通過數(shù)值模擬分析每種工況下位移、應(yīng)變、應(yīng)力，得出開挖過程中圍巖變形以及支護(hù)受力變化規(guī)律。周清學(xué)等[2]通過研究厚層松散堆積體3種施工工法下的圍巖塑性區(qū)和圍巖位移，對其施工工法進(jìn)行優(yōu)化。蘭旭等[3]利用數(shù)值模擬，采用全斷面開挖，在不同斷面處分析洞口位移等參數(shù)得出洞口圍巖變形規(guī)律。謝亦朋等[4]依托云南羅打拉隧道，構(gòu)建堆積體地層隧道開挖細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，深入研究了松散堆積體隧道圍巖變形破壞細(xì)觀特征。昝文博等[5]采用彈塑性非線性有限元法，分析了松散堆積體隧道圍巖空間位移特征，發(fā)現(xiàn)隧道開挖引起的圍巖變形具有明顯的三位特性。宋志榮[6]依托二郎山隧道，介紹了隧道開挖施工遇到的問題和解決措施，提出了淺埋偏壓大范圍松散堆積體的進(jìn)洞技術(shù)。周業(yè)萍等[7]通過建立邊坡模型以得出控制性結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)，并提出評價以及加固措施。陳水和[8]依據(jù)宅嶺隧道，介紹了松散堆積體塌方帶的穿越施工技術(shù)和預(yù)防其再次塌方的關(guān)鍵措施。

然而在松散堆積體地層的工程實踐中，塌方、冒頂?shù)仁┕と匀活l發(fā)，威脅著工程施工人員的生命安全和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時存在著針對松散堆積體地層初期支護(hù)的研究不足的問題。因此本文以重慶火鳳山隧道為工程依托，對松散巖堆隧道洞口段不同厚度的初期支護(hù)進(jìn)行了分析研究，為初期支護(hù)的設(shè)計提供理論支持，并且為重慶高速公路隧道的安全、快速施工提供重要保障。

1 隧道數(shù)值計算模型

以重慶火鳳山隧道為對象，建立隧道數(shù)值計算模型，采用FLAC3D軟件，研究隧道不同初期支護(hù)厚度對圍巖穩(wěn)定性的影響，將分別對初期支護(hù)厚度30 cm、初期支護(hù)厚度34 cm、初期支護(hù)厚度40 cm 3種工況下隧道洞周位移和初期支護(hù)應(yīng)力進(jìn)行分析。

根據(jù)隧道縱斷面地質(zhì)資料，建立三維網(wǎng)格模型，模型的邊界條件設(shè)置為左、右、后3個邊界面限制垂直于平面方向的位移，底面限制垂直于平面和平行于平面方向的位移，前邊界面隧道開挖處采用自由界面，周圍噴射的混凝土采用shell單元模擬，上邊界面坡體采用種草護(hù)坡，也采用shell單元進(jìn)行模擬，計算模型如圖1所示。

2 計算參數(shù)選取

根據(jù)以往的經(jīng)驗資料和隧道地層土工試驗參數(shù)，確定隧道結(jié)構(gòu)模型的計算參數(shù)，具體計算參數(shù)如表1所示。

依照J(rèn)TG D70-2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》，VI級圍巖初期支護(hù)厚度通常采用試驗、計算確定，但考慮到松散堆積體隧道洞口段圍巖穩(wěn)定性極差，容易發(fā)生塌方等事故，故應(yīng)采取強(qiáng)支護(hù)方案，本次計算擬定分析對比初期支護(hù)厚度分別為30 cm、35 cm、40 cm 3種工況下的初期支護(hù)變形和受力特征，以確定最優(yōu)厚度。

由于不同的初期支護(hù)厚度也會對折算的初期支護(hù)殼單元的力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響，表2列出了各初期支護(hù)厚度下殼單元的力學(xué)參數(shù)。

3 計算結(jié)果及分析

在松散巖石堆積體地層中，為研究初支厚度對隧道洞口段穩(wěn)定性的影響，分別提取了3種工況下拱肩、拱腰、拱腳、拱頂和拱底的豎向位移進(jìn)行分析，同時提取開挖完成階段的初期支護(hù)應(yīng)力進(jìn)行研究。具體計算結(jié)果如下。

3.1 洞周位移

圖2是初期支護(hù)厚度35 cm時隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱腳及拱底的位移變化規(guī)律。

由圖可知，隨著開挖進(jìn)尺的增加，隧道各特征點(diǎn)的最大位移值也不斷增大。在掌子面前方一定范圍內(nèi)，已經(jīng)產(chǎn)生了一定的小變形，隨著開挖面的推進(jìn)，拱頂下沉不斷增大，其初期下沉速率很大，而后速度逐漸減緩，并趨于穩(wěn)定。在初期支護(hù)35 cm的工況下，隧道拱頂沉降最大值達(dá)到了31.02 mm，拱肩沉降最大值達(dá)到了39.21 mm，隧道底部隆起最大值達(dá)到了12.14 mm。初期支護(hù)厚度30 cm、40 cm 2種工況下洞周位移變化規(guī)律和上述工況一致，只是在量值上有所差異。為了研究方便，提取不同工況下的各監(jiān)測點(diǎn)位移最大值見表3。

由圖表分析可知，在3種不同工況下隧道洞口段開挖引起的洞周收斂呈拱腳>拱腰>拱肩的分布規(guī)律，隧道拱頂產(chǎn)生較大沉降，隧道拱底產(chǎn)生較大隆起。不同工況下的隧道洞周位移值具有一定的差異，隧道洞周位移值隨著初期支護(hù)厚度的增多而減小;初支厚度增加16 %，隧道洞周位移減少約3 %，即初支厚度的增加對限制隧道洞周位移效果有限。

3.2 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

圖3和表4給出了3種工況下隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力、最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的變化情況及最大值。

由圖3可知，隨著開挖的不斷進(jìn)行，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力也相應(yīng)增加;在拱腳和拱腰處，有應(yīng)力集中的現(xiàn)象。初期支護(hù)最大主應(yīng)力最大值主要出現(xiàn)在隧道拱腳位置，且以靠近洞口30 m段為主;最小主應(yīng)力的最大值主要出現(xiàn)在拱肩位置，且以靠近掌子面處為主;初期支護(hù)的最大剪應(yīng)力出現(xiàn)位置與最小主應(yīng)力出現(xiàn)位置相同。在初期支護(hù)厚度35 cm的工況下，隧道初期支護(hù)的最大主應(yīng)力達(dá)到3.91 MPa，最小主應(yīng)力達(dá)到4.52 MPa，最大剪應(yīng)力達(dá)到3.65 MPa。不同初期支護(hù)厚度工況下初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律無明顯區(qū)別，只是在量值上有所差異，其值隨著初期支護(hù)厚度的增多而減小。

4 結(jié)論

針對散巖堆積體隧道洞口段圍巖極其破碎、自穩(wěn)能力差的特點(diǎn)，采用FLAC3D數(shù)值軟件分析了不同初期支護(hù)厚度對隧道結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力的變化特征。主要得出結(jié)論：

（1）從洞周位移進(jìn)行分析，3種工況下洞周位移在規(guī)律上沒有明顯差別，只是在量值上有一定差異。洞周收斂呈拱腳>拱腰>拱肩的分布規(guī)律，隧道拱頂產(chǎn)生較大沉降，隧道拱底產(chǎn)生較大隆起;不同工況下的隧道變形量具有一定的差異，隧道圍巖變形值隨初期厚度增加而減少，但減小值有限。

（2）從初期支護(hù)受力進(jìn)行分析，3種工況初期支護(hù)受力分布規(guī)律上也并未出現(xiàn)明顯區(qū)別，主要在量值的大小有所不同。初期支護(hù)厚度增加導(dǎo)致應(yīng)力的減小，這說明噴射混凝土厚度增加有利于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力。

（3）綜合來看不同初期支護(hù)厚度工況下計算得到的圍巖位移較小，增加初支厚度對位移的限制效果有限但可明顯改善初支結(jié)構(gòu)的受力。在實際施工過程中，為滿足位移控制要求，不過分抑制圍巖的應(yīng)力釋放，可適當(dāng)增加初期支護(hù)的厚度。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧永杰. 淺埋偏壓大跨度隧道洞口段進(jìn)洞技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

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[7] 周業(yè)萍，常嘉.某隧道邊坡穩(wěn)定性研究[J].山西建筑，2012，38（9）：167-169.

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