山區(qū)高速公路巖溶隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

李海鴻，郭延輝，宋 琴，黃永華，付小兵

（1.云南建投第六建設(shè)有限公司，云南 玉溪 653199； 2.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，云南 昆明 650093）

隨著國家“一帶一路”倡議的深入實(shí)施，西南喀斯特山區(qū)高速公路網(wǎng)的建設(shè)達(dá)到了前所未有的規(guī)模。與此同時(shí)，西南喀斯特山區(qū)巖溶隧道的數(shù)量和里程也不斷增加。隧道開挖將破壞巖體原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，從而引起圍巖應(yīng)力重分布，導(dǎo)致隧道建成后圍巖可能出現(xiàn)一定的變形和破壞，嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)冒頂、塌方等。特別是隧道經(jīng)過巖溶地段時(shí)，由于巖溶地區(qū)特殊的地質(zhì)條件，圍巖松散破碎，巖土體穩(wěn)定性往往較差，突水突泥、垮塌等災(zāi)害較多，可能嚴(yán)重威脅隧道的施工和運(yùn)營安全。因此，對山區(qū)巖溶隧道建成后的圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究具有重要意義。

鑒于近年來我國隧道建設(shè)數(shù)量和難度不斷增加，眾多學(xué)者對隧道施工和運(yùn)營的圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并且已經(jīng)取得了較為豐富的成果。張幸等分別應(yīng)用DP 與EDP 模型對隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，并與解析解進(jìn)行三方對比，得出應(yīng)用EDP 模型的數(shù)值模擬結(jié)果更接近實(shí)際，解析解塑性區(qū)半徑比數(shù)值模擬小。鐘愛軍等建立了隧道上穿溶洞的計(jì)算模型，通過數(shù)值模擬手段分析了該施工條件下管片襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的變化規(guī)律。李曉剛等進(jìn)行了室內(nèi)巖溶隧道模型試驗(yàn)，分析了不同溶洞分布大小、不同節(jié)理傾角及降雨等條件下隧道襯砌受力規(guī)律。鄭現(xiàn)菊等基于三維數(shù)值模擬仿真，分析了隧道圍巖及支護(hù)受隱伏溶洞的影響。

綜上可以看出，雖然針對隧道穩(wěn)定性的研究較為豐富，但對巖溶發(fā)育區(qū)隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究方面還不足。本文以西南山區(qū)某巖溶隧道為背景，采用三維數(shù)值分析方法，對隧道建成后圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究成果對該隧道的運(yùn)營安全具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

某隧道位于廣西與云南兩省的交界處，是一座雙向四車道分離式隧道，隧道左線全長1080m（廣西段長671m，云南段長409m），右線長1052m（廣西段長652m，云南段長400m），由廣西、云南各自施工所轄范圍段，在兩省交界位置處實(shí)現(xiàn)貫通。隧道斷面采用曲墻式，寬8.66m，高7.10m，最大埋深約為80m，最小埋深為8m。

本文重點(diǎn)針對隧道Ⅲ級圍巖段進(jìn)行開挖支護(hù)計(jì)算分析。所研究隧道段地質(zhì)情況如下：地表為少量紅砂巖覆蓋，下伏地層為石灰?guī)r，中厚層狀構(gòu)造，中風(fēng)化或微風(fēng)化，巖體較破碎，局部地段存在少量滲水或滴水現(xiàn)象，產(chǎn)生較大規(guī)模涌水可能性小，但洞室地處巖溶發(fā)育區(qū)。

2 隧道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

隧道設(shè)計(jì)采用全斷面法開挖，開挖后及時(shí)施作相應(yīng)的初期支護(hù)，初期支護(hù)穩(wěn)定后施作二次襯砌。初期采用Φ22 藥卷錨桿，L=2.5m，按梅花形布置，并結(jié)合巖層產(chǎn)狀適當(dāng)調(diào)整錨桿位置和方向，噴射10cm 厚C25 混凝土加鋼筋網(wǎng)支護(hù)；二次襯砌為噴射35cm 厚的C30 混凝土，如圖1所示（圖1中尺寸除鋼筋、鋼管直徑以mm計(jì)，其余均以cm 計(jì)）。圖中Φ22 藥卷錨桿僅示一半，另一側(cè)關(guān)于隧道中心線對稱布置，邊墻及拱部設(shè)鋼筋網(wǎng)應(yīng)焊接在系統(tǒng)錨桿外露端。鋼筋網(wǎng)全斷面布設(shè)，鋼筋網(wǎng)采用Φ8 鋼筋，網(wǎng)格尺寸為2525cm，鋼筋網(wǎng)片采用梅花形焊接。

圖1 隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面圖

3 計(jì)算模型及力學(xué)參數(shù)

3.1 計(jì)算模型的構(gòu)建

三維數(shù)值模型計(jì)算選取垂直隧道走向方向120m，沿隧道走向方向140m，高度方向最高117m。三維模型的單元總數(shù)為196730，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為276572，整體計(jì)算模型見圖2，隧道襯砌及錨桿布置模型見圖3。在模型的左右邊界，固定X 方向的位移，在模型的前后邊界，固定Y 方向的位移，在模型底部，固定三個(gè)方向的位移，模型頂部為自由邊界。

圖2 三維力學(xué)模型圖

圖3 隧道襯砌及錨桿布置模型圖

3.2 巖土力學(xué)參數(shù)及計(jì)算本構(gòu)模型

計(jì)算所采用的巖土體力學(xué)參數(shù)依據(jù)某隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告以及國內(nèi)外類似工程巖土體力學(xué)參數(shù)而確定，見表1，結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見表2。計(jì)算采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算參數(shù)

4 隧道建成后圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

4.1 隧道圍巖穩(wěn)定性分析

圖4為隧道建成后總位移分布圖，可以發(fā)現(xiàn)，隧道圍巖位移主要集中在頂板和底板中間位置，位移最大值為1.747mm，位于隧道埋深最深處，主要原因是隨著埋深的增加，地應(yīng)力一般也隨之增加。隨著埋深的降低，隧道總位移呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。為了便于分析隧道橫斷面上的應(yīng)力位移分布情況，本文重點(diǎn)選取剖面X=-75m 作為典型剖面進(jìn)行開挖支護(hù)分析。隧道建成后，剖面X=-75m 圍巖頂板下沉，底板隆起，頂板最大垂直位移為1.75mm，底板最大隆起量為1.50mm，隧道X 方向水平位移均較小，沒有超過規(guī)范要求，隧道整體穩(wěn)定狀態(tài)較好。

圖4 建成后隧道圍巖總位移分布圖

隧道開挖支護(hù)后，由于開挖卸荷作用，頂?shù)装鍛?yīng)力得到了一定釋放。從最大主應(yīng)力來看（圖5），隧道底板最大主應(yīng)力為0.149MPa，頂板最大主應(yīng)力為0.424MPa，在隧道邊墻部分出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中，最大主壓應(yīng)力為2.905MPa。隧道圍巖最小主應(yīng)力在頂?shù)装逄幊霈F(xiàn)了一定的拉應(yīng)力集中，拉應(yīng)力最大值為0.295MPa，沒有超過隧道襯砌所用混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，基本不會發(fā)生由于強(qiáng)度不足引起的安全問題。

圖5 建成后隧道圍巖最大主應(yīng)力分布圖

4.2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

圖6為隧道建成后二次襯砌總位移圖。不難發(fā)現(xiàn)，隧道建成后初襯和二襯位移分布規(guī)律和數(shù)值大小基本接近，襯砌拱頂最大位移值為1.747mm。隧道左線和右線襯砌結(jié)構(gòu)位移隨著隧道埋深的增加而逐漸增大，變形規(guī)律較為一致?？梢钥闯?，隧道襯砌整體位移較小，未超出規(guī)范要求。

圖6 建成后隧道二襯總位移圖

圖7為隧道二襯最大主應(yīng)力圖，可以看出，隧道二襯最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力同初襯一致也均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，其中二襯最大主應(yīng)力極值7.822MPa，較初襯增大2.225MPa，位于埋深較深部位的拱腳處。最小主應(yīng)力整體表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在拱腳位置出現(xiàn)了一定的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值為0.286MPa。

圖7 建成后隧道二襯最大主應(yīng)力分布圖

4.3 隧道建成后錨桿結(jié)構(gòu)可靠性分析

隧道建成后錨桿出現(xiàn)一定的位移，其中沿豎直方向最大位移出現(xiàn)埋深最深處，最大值為1.747mm，隨著隧道埋深的降低，錨桿豎向位移逐漸減小。水平方向最大位移出現(xiàn)在隧道中部位置附近靠近隧道一端，其值為0.244mm。

圖8為錨桿結(jié)構(gòu)軸力分布圖，隧道開挖支護(hù)完成后，錨桿軸力以受拉為主，隨著隧道埋深的增加，錨桿軸力逐漸增大。錨桿最大軸力為9.347kN，基本在允許范圍內(nèi)。

圖8 錨桿結(jié)構(gòu)軸力分布圖

5 結(jié)論

本文應(yīng)用三維有限元數(shù)值計(jì)算軟件MIDAS GTS NX對某山區(qū)巖溶隧道建成后的圍巖和襯砌的穩(wěn)定性，及錨桿的可靠性進(jìn)行模擬分析，通過計(jì)算分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）運(yùn)用三維數(shù)值計(jì)算軟件MIDAS GTS NX 進(jìn)行隧道開挖，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析是行之有效的，該軟件在襯砌，錨桿等支護(hù)單元建模上具有一定的優(yōu)勢。

（2）隧道開挖支護(hù)建成后，隧道拱頂下沉最大值為1.747mm，底板向上隆起最大為1.50mm，隧道圍巖、襯砌和錨桿等位移均較小，隧道襯砌和錨桿受力狀態(tài)較好，表明該山區(qū)巖溶隧道整體圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)基本處于穩(wěn)定。

（3）通過數(shù)值模擬仿真，計(jì)算分析得到該隧道的整體穩(wěn)定性，進(jìn)一步驗(yàn)證了該巖溶隧道開挖支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，研究成果對該類山區(qū)巖溶隧道的支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)及隧道穩(wěn)定性控制具有一定的借鑒意義。