淺埋圍巖隧道支護方式對比研究★

魯云芳，張嘉樂

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

1 概述

近年來，我國對于隧道的需求量不斷增大，隧道建設(shè)成為基礎(chǔ)建設(shè)中不可缺少的一部分。隧道工程的建設(shè)不僅能夠緩解城市交通的壓力[1]，同時還能夠改善邊遠地區(qū)交通狀況，從而改善偏遠地區(qū)的經(jīng)濟狀況，帶動偏遠地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。隧道工程大部分修建在城市地下區(qū)域或者山區(qū)，因此隧道周邊巖土體情況一般比較復(fù)雜，施工和支護時候，遇到的不確定因素較多，施工可能遇到的困難和需要考慮、解決的問題較多，如何在一些復(fù)雜的地質(zhì)條件下保證隧道的安全性和穩(wěn)定性是一個重要的研究方向。

如何保證隧道工程的開挖穩(wěn)定性以及保證隧道在使用過程中的安全性，主要取決于隧道采用的支護方式。目前我國隧道的支護方式主要有噴射混凝土支護、錨桿支護、超前管棚支護、鋼拱架支護和多種支護方式聯(lián)合支護等[2]。錨桿支護[3-4]作為主要的地下工程支護手段，被大規(guī)模應(yīng)用于地下工程建設(shè)過程中。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)錨桿的材質(zhì)、長度、間排距、錨固長度和預(yù)應(yīng)力等因素決定了錨桿的支護效果，眾多學(xué)者對此進行了很多研究，得到了較為完備的錨桿支護技術(shù)，解決了眾多地下工程的支護難題[5]。但是隨著隧道建設(shè)的逐漸復(fù)雜，傳統(tǒng)的支護方式已經(jīng)不能達到隧道施工和使用要求，引入新的支護成為必然。

鋼管混凝土最初主要用于橋梁和高層建筑物，而高延法[6]團隊成功把鋼管混凝土支架應(yīng)用到了地下工程的建設(shè)當(dāng)中，并且取得了較好的效果，同時他們還對鋼管混凝土支架的力學(xué)性能和支護效果進行了實驗分析[7-8]，得出鋼管混凝土支架是一種承載力較高，支護效果好的支護材料，并且很好地應(yīng)用到了隧道建設(shè)當(dāng)中。

2 工程概況及數(shù)值模型建立

白家梁隧道位于燕山地區(qū)，根據(jù)工程地質(zhì)測繪及鉆探揭露，隧道區(qū)域地層為安山巖、凝灰質(zhì)礫巖，總體地形起伏較大，但是未見滑坡等跡象，隧道區(qū)多以凝灰質(zhì)礫巖為主，該巖體遇水易軟化，整體性相對較差。隧道選址區(qū)域整體穩(wěn)定性較好，隧道右幅長911 m，左幅長836 m。其中S-1標段隧道右幅長456 m，左幅長418 m。本隧道最大埋深68.1 m，屬于淺埋隧道，隧道斷面見圖1，在開挖施工過程中產(chǎn)生巖爆的可能性極小。隧道通過段土體為凝灰質(zhì)礫巖巖體，不含有害氣體的礦產(chǎn)，施工過程中不會產(chǎn)生有毒氣體和瓦斯逸出或爆炸。

數(shù)值模型尺寸為X=65 m，Y=10 m，Z=65 m，隧道位于模型正中央，其半徑為5.88 m，仰拱半徑為15.26 m，周圍有厚度為0.45 m的噴射混凝土，如圖2所示。根據(jù)白家梁隧道的實際情況(見圖3)，數(shù)值模擬共涉及兩個地層，數(shù)值模型上下兩側(cè)為安山巖，中間為凝灰質(zhì)礫巖，隧道全部位于凝灰質(zhì)礫巖巖層中。數(shù)值模擬的本構(gòu)模型選定為Mohr-Coulomb模型，邊界條件設(shè)定為平面應(yīng)變，模型的前后左右采用水平約束，底部固定，頂部為自由邊界。初始應(yīng)力場為重力場，模型在重力的作用下開始沉降，并作用于隧道支護系統(tǒng)，當(dāng)不平衡力比達到10-5時計算收斂。

3 支護方案

針對白家梁隧道的實際情況，主要設(shè)計兩種支護方案(見圖4)。利用前述所建立數(shù)值模型，檢驗設(shè)計的支護方案效果，并進行對比：

方案一:注漿錨桿和工字鋼鋼架聯(lián)合支護，采用RD25N型普通中空注漿錨桿，長3.5 m，縱向間距750 mm，環(huán)向間距1 000 mm；Ⅰ18工字鋼鋼架，縱向間距750 mm；襯砌為450 mm的噴射混凝土。

方案二:注漿錨桿和鋼管混凝土支架聯(lián)合支護，用鋼管混凝土支架替換工字鋼鋼架。選取鋼管尺寸為φ168×3 mm鋼管混凝土代替原方案的工字鋼。具體支護參數(shù)見表1。

通過FLAC3D軟件，模擬隧道在工字鋼和鋼管混凝土兩種不同支護材料支護條件下，隧道的支護效果，通過對隧道變形、圍巖應(yīng)力以及支護結(jié)構(gòu)的受力和變形進行分析，從而得出結(jié)論。

表1 支護參數(shù)

4 數(shù)值模擬分析

4.1 隧道圍巖位移對比分析

圍巖豎向位移變化特征見圖5。根據(jù)圖5可知，隧道開挖后，圍巖原有應(yīng)力狀態(tài)被打破，圍巖產(chǎn)生變形。由圖5(a)得出，無支護開挖，隧道頂板下沉量為13.24 mm，底板隆起量為12.16 mm，頂?shù)装褰咏抗?5.4 mm；左右?guī)拓Q向位移遠小于頂板位移。如圖5(b)所示，支護后隧道頂板最大位移為9.66 mm，底板隆起量約為9.29 mm，接近量為18.95 mm。使用工字鋼支護時，隧道豎向位移主要集中在隧道頂、底板處，隧道左右?guī)突静淮嬖谪Q向位移。鋼管混凝土支架支護下，隧道圍巖豎向位移云圖如圖5(c)所示，使用鋼管混凝土支架支護后，隧道圍巖位移得到了較好的改善，隧道頂板最大位移減少為9.58 mm，底板隆起量約為9.16 mm，頂?shù)装褰咏繛?8.74 mm。

采用工字鋼或鋼管混凝土支架支護，圍巖支護效果較為明顯，尤其是底部隆起現(xiàn)象得到了明顯改善。采用工字鋼支護，隧道頂板變形量優(yōu)化了27.04%，底板隆起量減小了23.6%；鋼管混凝土支架支護使得隧道頂板最大位移減少了27.64%，底板隆起量約改善了24.67%，整體上看，鋼管混凝土支架支護對改善隧道豎向位移的效果較好。

圍巖水平位移云圖如圖6所示。從圖6(a)可以發(fā)現(xiàn)，開挖后，隧道左右?guī)蛧鷰r受水平位移影響的區(qū)域范圍較大，兩幫處水平位移對稱分布，位移量大致相等，約為5.4 mm～5.5 mm，隧道頂板和底板中部基本不存在水平位移；隧道拱肩處的水平位移影響范圍和數(shù)值比下部分區(qū)域大；離隧道開挖面越近，圍巖位移越大。工字鋼支護隧道左右?guī)褪諗苛考s為8.95 mm，隧道水平位移主要集中在隧道拱肩區(qū)域，整體位移水平較低。鋼管混凝土支架支護隧道，左右?guī)退轿灰萍s為4.35 mm，減小程度不明顯。支護后隧道的水平位移較大區(qū)域主要集中在隧道拱肩位置，支護后隧道水平位移影響區(qū)域和水平大范圍減少。

隧道開挖產(chǎn)生的水平位移整體較豎向位移要小得多，支護后水平位移變化不太明顯。但從整體來看，鋼管混凝土支架的支護效果比工字鋼的支護效果要更有效一些。

4.2 隧道圍巖應(yīng)力分析

圖7為圍巖豎向應(yīng)力云圖。由圖7(a)可知，隧道開挖后圍巖豎向應(yīng)力呈左右對稱分布，應(yīng)力水平較低，影響范圍大，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。豎向應(yīng)力對兩幫的作用大于頂、底板處，使得兩幫處豎向應(yīng)力最大；根據(jù)圖7(b)和圖7(c)可知，工字鋼支護和鋼管混凝土支架支護都能夠改善隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖應(yīng)力水平，減少應(yīng)力影響區(qū)域，使隧道周邊圍巖的受力更均勻。

隧道圍巖的水平應(yīng)力云圖見圖8。由圖8(a)可得，無支護隧道整體應(yīng)力水平較低，應(yīng)力集中區(qū)域較小，圍巖整體應(yīng)力水平較豎向應(yīng)力來說更為均勻。無支護隧道在水平應(yīng)力作用下，在頂部、左右?guī)秃退淼赖捉菂^(qū)域內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂板和底角區(qū)域的水平應(yīng)力明顯比幫部區(qū)域水平應(yīng)力大；且隧道底板處的水平應(yīng)力集中區(qū)域遠比頂板區(qū)域小。支護后，隧道圍巖水平應(yīng)力狀態(tài)得到改善，圍巖應(yīng)力水平提高，支護后應(yīng)力值較大的位置多出現(xiàn)在隧道內(nèi)部襯砌區(qū)域，圍巖區(qū)域應(yīng)力分布均勻。

隧道圍巖剪切應(yīng)力的分布狀態(tài)不能通過豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力的分布特征來體現(xiàn)，故對圍巖的剪切應(yīng)力也進行了分析。圖9為圍巖的剪切應(yīng)力云圖。無支護條件下，隧道圍巖的剪切應(yīng)力形成應(yīng)力等值圈，兩幫處剪切應(yīng)力數(shù)值最大，底板處剪切應(yīng)力值與幫部和頂板處相比數(shù)值較小。模型的剪切應(yīng)力分布范圍較廣，且分布不均勻；使用工字鋼和鋼管混凝土支架支護后，隧道圍巖剪切應(yīng)力集中范圍比無支護時候減小很多，除去隧道內(nèi)部襯砌處的剪切應(yīng)力值較大外，隧道周邊圍巖剪切應(yīng)力值顯著減小，且整體剪切應(yīng)力水平較低，分布更均勻。這兩種支護方式既能夠降低隧道圍巖的剪切應(yīng)力集中程度，又能夠在很大程度上改善圍巖的受力狀態(tài)。

圖10為最大主應(yīng)力云圖。如圖10(a)為無支護最大主應(yīng)力云圖，隧道開挖工作面處于主應(yīng)力降低區(qū)域，應(yīng)力值基本一致。隧道底角處最大主應(yīng)力值與隧道內(nèi)表面相比應(yīng)力值較大；模型整體應(yīng)力對稱分布，深部圍巖應(yīng)力值比隧道周邊圍巖應(yīng)力值大，并且在距離隧道底板處約10 m的位置出現(xiàn)應(yīng)力集中。根據(jù)圖10(b)和圖10(c)來看，工字鋼和鋼管混凝土支架支護能夠很好地減少主應(yīng)力影響區(qū)，使得隧道周邊圍巖整體區(qū)域的最大主應(yīng)力分布均勻，不出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4.3 支護構(gòu)件受力分析

數(shù)值模擬計算過程中，工字鋼和鋼管混凝土支架使用Beam單元模擬，其軸力圖如圖11所示。如圖11(a)所示，工字鋼軸力整體水平較高，支護時兩幫處支架軸力較大，支架頂、底部位的軸力較幫部小很多，底板處支架軸力最小。支架右?guī)徒咏捉俏恢锰幊霈F(xiàn)軸力集中現(xiàn)象，該處軸力值最大；使用鋼管混凝土支架支護時，支架軸力水平整體較工字鋼支架軸力水平低，分布狀態(tài)與工字鋼相似。鋼管混凝土支架軸力最大值集中在幫部圓弧段內(nèi)，底板處軸力最小，但是鋼管混凝土支架整體受力較工字鋼來看更加均勻。

工字鋼支護時，錨桿的軸向應(yīng)力分布如圖12(a)所示。錨桿軸力最大值為2 119.1 kN，受力較大的錨桿主要集中在隧道頂部圍巖區(qū)域內(nèi)，深部圍巖區(qū)域內(nèi)的錨桿所受軸力與之相比較少。鋼管混凝土支架支護時，錨桿的軸向應(yīng)力分布如圖12(b)所示。錨桿軸力最大數(shù)值為2 084.7 kN，主要集中在隧道頂部和部分幫部周邊圍巖區(qū)域。對于分布相對較深的圍巖，錨桿所受軸力較小。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，無支護開挖時，隧道周邊圍巖受應(yīng)力影響區(qū)域大，圍巖變形明顯，頂板下沉量和底板隆起量較大，但是由于巖土體性質(zhì)較為穩(wěn)定，開挖后塑性區(qū)分布范圍較小。

采用工字鋼進行支護時，模擬得到的隧道頂?shù)装褰咏考s為18.95 mm，較無支護來說減小了約25.39%；采用鋼管混凝土支架支護時，隧道頂?shù)装褰咏繌臒o支護時的25.4 mm減小到18.74 mm，改善約26.22%，鋼管混凝土支架對豎向位移的改善作用較好一些。隧道開挖產(chǎn)生的水平位移整體較豎向位移要小得多，支護后水平位移變化不太明顯，但大致呈減小的趨勢。從整體來看，對于改善圍巖變形鋼管混凝土支架支護比工字鋼支護的結(jié)果要更有效。

工字鋼支護和鋼管混凝土支架支護后隧道圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，這兩種不同的支護方式都能夠較好的改善隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖應(yīng)力水平，減少應(yīng)力集中，使圍巖應(yīng)力分布均勻。

工字鋼和鋼管混凝土支架的支架軸力都集中在支架幫部圓弧段內(nèi)，頂部支架和底部支架處的軸力相對幫部軸力較小。鋼管混凝土支架支護時，支架軸力比工字鋼支護時候小，但是鋼管混凝土支架的支架軸力分布范圍比工字鋼支護更均勻，表明了鋼管混凝土支架支護時支架受力比工字鋼支架更均勻。對于錨桿軸向拉應(yīng)力，使用鋼管混凝土支架支護時比使用工字鋼支護時小，頂部錨桿比幫部錨桿所受拉應(yīng)力大。

5 結(jié)語

論文以白家梁隧道為工程背景，建立了三維數(shù)值模型，分析了工字鋼支護及鋼管混凝土支架支護作用下隧道圍巖的變形特征，得出以下結(jié)論：

1)不同支護方式下，鋼管混凝土支架對隧道圍巖變形的控制作用明顯較好；尤其是對隧道豎向位移變形，鋼管混凝土的控制效果作用明顯。

2)不同支護方式下，采用鋼管混凝土支架支護時，隧道圍巖所受到的支護力更加均勻，因此支護效果相對較好；同時鋼管混凝土支護時，錨桿所受到的作用力相對較小，整個支護系統(tǒng)所受力更為均勻。

3)結(jié)合施工工藝、施工成本等多個方面來看，鋼管混凝土支架所用材料成本較低，性價比更高，工藝流程更為簡單，因此在實際施工過程中，應(yīng)盡可能地選取低成本、高性價比、支護效果最優(yōu)的鋼管混凝土支架對隧道進行支護。