高地應(yīng)力軟巖大變形隧道單雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究

摘要：為了研究高地應(yīng)力軟巖大變形隧道適宜支護(hù)方案，文章以華麗高速公路東馬場(chǎng)1號(hào)隧道為例，基于FLAC 3D軟件開(kāi)展數(shù)值模擬，對(duì)比分析了單雙層初期支護(hù)兩種支護(hù)方案下的洞周圍巖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。結(jié)果表明：采用雙層初期支護(hù)能有效地降低隧道洞周圍巖位移，其中隧道變形較大的拱頂部位沉降量減小了13.67%；雙層初期支護(hù)的施作讓第一層初期支護(hù)更好地發(fā)揮了承載作用；雙層初期支護(hù)大幅度減輕了二次襯砌的受力，有效地保障了高地應(yīng)力偏壓軟巖大變形隧道的施工與長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的安全性；針對(duì)高地應(yīng)力軟巖大變形隧道宜采用雙層初期支護(hù)的支護(hù)方案。

關(guān)鍵詞：公路隧道；軟巖大變形；雙層初支；力學(xué)特性；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U455.7" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：S" " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.028

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0089-04

引言

在我國(guó)中西部地區(qū)的各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼的開(kāi)展過(guò)程中，大量公路也投入了建設(shè)。但西部地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，廣泛存在軟巖地層，該地層具有強(qiáng)度低、對(duì)施工的干擾敏感、變形發(fā)展速度快的特點(diǎn)，導(dǎo)致軟巖大變形問(wèn)題通常發(fā)生在高地應(yīng)力條件下的隧道［1-4］。軟巖大變形常常會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開(kāi)裂破壞嚴(yán)重的現(xiàn)象［5-8］，進(jìn)一步增加施工難度、產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題，并危及隧道的施工和運(yùn)行安全［9-11］。因此，開(kāi)展高地應(yīng)力軟巖隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的深入研究是十分有意義的。

支護(hù)結(jié)構(gòu)在控制洞周圍巖變形與調(diào)整圍巖受力等方面發(fā)揮著重要的作用，諸多學(xué)者針對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)展了大量研究。韓常領(lǐng)等［12］提出施做雙層初期支護(hù)后，支護(hù)結(jié)構(gòu)和洞周圍巖的協(xié)同變形更加勻稱；王萬(wàn)平等［13］依托木寨嶺隧洞實(shí)際工程，根據(jù)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的成果，優(yōu)化了基于主動(dòng)支護(hù)的初期支護(hù)體系；馬棟等［14］總結(jié)歸納麗香鐵路、玉磨鐵路和成蘭鐵路等多個(gè)高地應(yīng)力軟巖隧道的施工經(jīng)驗(yàn)，提出考慮預(yù)留變形量、采用雙層初期支護(hù)和錨桿共同支護(hù)可以有效地改善初期支護(hù)強(qiáng)度，可以有效地抑制大變形；鄭可躍等［15］依托玉磨鐵路萬(wàn)和隧道，通過(guò)多工況比選及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，得出在第一層初期支護(hù)變形達(dá)到一定程度后施作第二層鋼拱架，能夠起到控制圍巖變形的作用。

依托大量的工程實(shí)踐，眾多學(xué)者在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系等方面都已經(jīng)開(kāi)展了一系列的研究并取得了一定成果。但隨著我國(guó)西部地區(qū)高速公路隧道建設(shè)的深入開(kāi)展，越來(lái)越復(fù)雜的地質(zhì)條件對(duì)隧道建設(shè)提出了更高的要求，至今仍然沒(méi)有建立起一種科學(xué)實(shí)用并且行得通的技術(shù)保證系統(tǒng)。綜上，本文依托華麗高速公路東馬場(chǎng)1號(hào)隧道，采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬的研究方法，開(kāi)展了高地應(yīng)力軟巖大變形隧道單雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的研究，有關(guān)成果可對(duì)我國(guó)西部山區(qū)即將修建的相關(guān)隧道的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)有一定的參考和借鑒意義。

1工程背景

東馬場(chǎng)1號(hào)隧道是華坪至麗江高速公路的一項(xiàng)控制性工程。隧道長(zhǎng)度為5 210 m，最大埋深為613 m。隧道區(qū)海拔高程為1 870～2 512 m，相對(duì)高差為643 m。隧道區(qū)位于構(gòu)造剝蝕斷塊高山地貌區(qū)，縱斷面如圖1所示。隧道先后穿越侏羅系下統(tǒng)馮家河組f1）與泥盆系中統(tǒng)碳山坪組D12）地層，地形崎嶇且多基巖出露，軟巖占比較大，其中Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖占比高達(dá)68.9%，泥巖和灰?guī)r占主導(dǎo)地位，其特點(diǎn)是巖體強(qiáng)度偏低，流變顯著。

在施工過(guò)程中，隧道出現(xiàn)了明顯變形及結(jié)構(gòu)破壞問(wèn)題，如初期支護(hù)侵限剝落，鋼拱架的折疊斷裂，二次襯砌開(kāi)裂以及仰拱隆起破壞等，如下頁(yè)圖2所示。隧道洞周圍巖在初期時(shí)變形速率與變形量較大，收斂困難、持續(xù)變形的時(shí)間長(zhǎng)，并且在鋼拱架失效之后，隧道洞周圍巖變形在停工期仍然存在擴(kuò)大趨勢(shì)。

東馬場(chǎng)1號(hào)隧道研究區(qū)段的圍巖以灰?guī)r和泥巖為主。公路隧道相關(guān)規(guī)范中并沒(méi)有明確對(duì)圍巖大變形進(jìn)行分級(jí)，因此參考《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》TB 10003-2016）表1）［16］，對(duì)圍巖大變形的分級(jí)按照圍巖的強(qiáng)度應(yīng)力比值Rb/σmaxRb為圍巖強(qiáng)度、σmax為最大地應(yīng)力，如表2所示）進(jìn)行劃分，故確定選定研究區(qū)段按照Ⅲ級(jí)大變形強(qiáng)烈大變形）進(jìn)行處治設(shè)計(jì)。

未開(kāi)挖段的開(kāi)挖工法采用三臺(tái)階法施工，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用雙層初期支護(hù)，如圖3所示。

2數(shù)值模型的建立

2.1計(jì)算參數(shù)

隧道典型斷面的邊界應(yīng)力具體數(shù)值如表3所示，其中y方向?yàn)樗淼垒S線方向。

2.2數(shù)值模型

為研究分析高地應(yīng)力軟巖大變形隧道單雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，通過(guò)收集資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，以FLAC 3D軟件模擬實(shí)際地應(yīng)力情況下，采用單層初支、雙層初支兩種初期支護(hù)模式，如圖4所示。

為滿足圣維南定理，降低模型邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的干擾，模型邊界與隧道洞身距離宜大于三倍洞徑，因此，以隧道中軸線為基線，上下左右各距60 m設(shè)定模型邊界，縱向長(zhǎng)度為60 m，邊界尺寸為120 m）長(zhǎng)×60 m）寬×120 m）高，如圖5所示。

模擬以三臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖進(jìn)尺為1 m。在模擬隧道開(kāi)挖的計(jì)算過(guò)程中，利用FLAC 3D軟件中的空單元模擬山嶺隧道的開(kāi)挖，并假設(shè)隧道圍巖是符合Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則的各向同性理想彈塑性體。初期支護(hù)厚度為31 cm，二次襯砌厚度為70 cm。土體設(shè)置為均質(zhì)彈塑性材料，并采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型。圍巖、初期支護(hù)與二次襯砌使用實(shí)體單元，錨桿使用cable單元。

在數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，提取隧道洞周圍巖位移、第一層初期支護(hù)應(yīng)力、第二層初期支護(hù)應(yīng)力與二次襯砌應(yīng)力結(jié)果，對(duì)隧道采取單雙層初支下的圍巖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)比計(jì)算結(jié)果為現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考。監(jiān)測(cè)斷面取數(shù)值模擬中隧道中間位置即y30 m的截面），選取拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳、拱底共計(jì)8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其布置如圖6所示。

3單雙層初期支護(hù)力學(xué)特性研究

3.1洞周圍巖變形分析

提取采用單雙層初期支護(hù)下開(kāi)挖模擬計(jì)算完成后的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖隨開(kāi)挖步的位移變化時(shí)程曲線，如圖7所示。

數(shù)值模擬過(guò)程中記錄了各測(cè)點(diǎn)的隧道洞周圍巖位移。從圖7可以看出，模擬結(jié)果顯示隧道拱頂和拱底的位移較大，水平位移方面呈拱腰gt;拱腳gt;拱肩的分布規(guī)律，即下臺(tái)階水平位移大于上臺(tái)階水平位移，越靠近隧道下部洞周圍巖變形越大的趨勢(shì)。

雙層初期支護(hù)的施作有效地限制了圍巖位移。從豎向位移來(lái)看，隧道拱頂沉降變化量最為明顯，雙層初期支護(hù)與單層初期支護(hù)相比，隧道拱頂沉降減少了13.67%；隧道仰拱隆起減小了6.37%。從水平位移來(lái)看，呈現(xiàn)下臺(tái)階水平位移最大，上臺(tái)階水平位移最小的趨勢(shì)，雙層初期支護(hù)的施做對(duì)上臺(tái)階水平位移的影響最大，拱肩收斂減小量達(dá)到了7%左右，拱腰收斂與拱腳收斂減小量分別為6%、4%左右。

綜上所述，在相同地層與初始應(yīng)力條件下，雙層初期支護(hù)的施做能夠有效地降低隧道洞周圍巖位移和發(fā)生災(zāi)害的可能性，確保隧道開(kāi)挖施工的安全與可靠。

3.2初期支護(hù)受力分析

通過(guò)數(shù)值模擬得知初期支護(hù)處于受壓狀態(tài)，因此分別提取單層初期支護(hù)下的初期支護(hù)，以及雙層初期支護(hù)下第一二層初期支護(hù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最小主應(yīng)力，如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)采用單層初期支護(hù)時(shí)，初支中拱頂、拱肩、拱腰處所受的壓力比較大，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂，約為12.64 MPa。當(dāng)采用雙層初期支護(hù)時(shí)，第一、二層初期支護(hù)均承受壓應(yīng)力。第一層初期支護(hù)中最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂，約為23.14 MPa；第二層初期支護(hù)中最大壓應(yīng)力也出現(xiàn)在拱頂處，約為24.53 MPa。

為更直觀地對(duì)比單雙層初支中支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性差異，匯總兩種支護(hù)方案下第一層初期支護(hù)的最小主應(yīng)力值，如圖9所示。

從圖9可以看出，初期支護(hù)以受壓為主，采用雙層初期支護(hù)時(shí)，拱頂、拱肩、拱腰以及拱底處應(yīng)力增幅較大。拱頂處的應(yīng)力相較采用單層初期支護(hù)時(shí)增大了83%；拱肩處的應(yīng)力增大了71%；拱腰處的應(yīng)力增大了95%；拱底處的應(yīng)力增大了66%。由此可知，當(dāng)采用雙層初期支護(hù)時(shí)，第一層初期支護(hù)所承受的應(yīng)力有較大幅度的增加，說(shuō)明在這種情況下能夠讓第一層初期支護(hù)充分地發(fā)揮支護(hù)作用，避免第二層初期支護(hù)承受的應(yīng)力過(guò)大，對(duì)隧道的施工開(kāi)挖更為有利。

3.3二次襯砌受力分析

分別提取單雙層初期支護(hù)下的二次襯砌的最小主應(yīng)力，如圖10所示。

由圖10可知，和初期支護(hù)不同，單層初期支護(hù)下的二次襯砌承載一定的拉應(yīng)力，二次襯砌拱底處拉應(yīng)力最大達(dá)到了3.25 MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在左拱肩處，為8.84 MPa。而在施做雙層初期支護(hù)的情況下，二次襯砌均承載壓應(yīng)力且最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在右拱腳位置，達(dá)到4.25 MPa。

由于二次襯砌并非各位置均承載壓應(yīng)力，因此取應(yīng)力的絕對(duì)值并繪制單雙層初期支護(hù)下二次襯砌最小主應(yīng)力對(duì)比圖，如后頁(yè)圖11所示。

從圖11中可以看出，采用雙層初期支護(hù)時(shí)，二次襯砌拱頂處的應(yīng)力相對(duì)于采用單層初期支護(hù)時(shí)減小了52%；拱肩處的應(yīng)力減小了65%；拱腰處的應(yīng)力減小了[K0.13mm]58%；拱腳處的應(yīng)力減小了44%；拱底處的應(yīng)力減小了90%?？梢?jiàn)當(dāng)支護(hù)體系采用雙層初期支護(hù)時(shí)，大幅度地減輕了二次襯砌的受力，降低了二次襯砌發(fā)生開(kāi)裂病害的可能性。

綜上，綜合對(duì)比圍巖隧道洞周圍巖位移與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，采用雙層初期支護(hù)的洞身支護(hù)，不僅有效地降低隧道洞周圍巖位移，尤其是隧道變形較大的拱頂部位，而且雙層初期支護(hù)的施做讓第一層初期支護(hù)更好地發(fā)揮了承載作用，大幅度減輕了二次襯砌的受力，有效地保障了高地應(yīng)力偏壓軟巖大變形隧道的施工與長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的安全性，因此采用雙層初期支護(hù)的洞身支護(hù)在此類破碎軟弱圍巖地層條件下適用性較高。

4結(jié)語(yǔ)

本文依托華麗高速公路東馬場(chǎng)1號(hào)隧道工程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研并結(jié)合數(shù)值模擬，分析了高地應(yīng)力軟巖大變形隧道單雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，得到的主要結(jié)論如下：

（1）施作雙層初期支護(hù)能有效地限制圍巖位移。隧道豎向位移變化量最為明顯，施作雙層初期支護(hù)后隧道拱頂沉降減少了13.67%；同時(shí)拱肩收斂減小了7%左右，拱腰收斂與拱腳收斂分別減小6%、4%左右。

（2）初期支護(hù)以受壓為主，施作雙層初期支護(hù)后，第一層初期支護(hù)所承受的應(yīng)力增大66%～83%，充分地發(fā)揮支護(hù)作用，避免第二層初期支護(hù)承受的應(yīng)力過(guò)大。

（3）單雙層初期支護(hù)下的二次襯砌分別主要承擔(dān)拉應(yīng)力與壓應(yīng)力，且采用雙層初期支護(hù)后二次襯砌承擔(dān)應(yīng)力減小40%～90%，大幅度地減輕了二次襯砌的受力，降低了二次襯砌發(fā)生開(kāi)裂病害的可能性。

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作者簡(jiǎn)介：李皓1981—），碩士，高級(jí)工程師，主要從事公路工程、隧道工程工作。

收稿日期：2024-05-18