泥質(zhì)粉砂巖地質(zhì)條件下隧道支護(hù)過程仿真分析

摘要：文章依托某高速公路強風(fēng)化、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地質(zhì)下隧道洞身段施工，采用Midas GTS軟件對隧道洞身掌子面的施工過程進(jìn)行模擬分析，通過對隧道開挖、初期支護(hù)、仰拱回填及二次襯砌施工過程進(jìn)行分析，得到了不同工況下隧道巖體的變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和錨桿軸力數(shù)值變化規(guī)律，并與隧道實際施工現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。結(jié)果表明：實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)結(jié)果基本吻合，數(shù)值仿真可有效指導(dǎo)實際施工，也進(jìn)一步證明了項目的支護(hù)措施可起到有效加固隧道圍巖的作用。

關(guān)鍵詞：隧道工程；泥質(zhì)粉砂巖；初期支護(hù)；鎖腳錨桿；監(jiān)控量測

中圖分類號：U455.7" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.031

文章編號：1673-4874（2024）11-0102-03

0引言

隧道支護(hù)技術(shù)作為隧道工程施工控制的重要措施，近年來在隧道工程進(jìn)洞施工中得到了重點研究和廣泛應(yīng)用，支護(hù)施工的時機(jī)和支護(hù)各項參數(shù)的選擇尤為重要。針對中風(fēng)化、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖隧道而言，隧道圍巖巖體的節(jié)理較發(fā)育，巖體發(fā)育較完整呈中厚構(gòu)造，整體穩(wěn)定性差，圍巖強度較低，巖體的軟化系數(shù)小、耐水性差，浸水容易軟化崩解［1］。在隧道施工過程中面臨很大的考驗，若支護(hù)不及時或支護(hù)強度不足，可能導(dǎo)致隧道初支面圍巖發(fā)生不均勻沉降或嚴(yán)重變形，超出隧道規(guī)定的最大預(yù)留變形量，更嚴(yán)重者可能導(dǎo)致隧道發(fā)生坍塌冒頂［2-3］。

近些年，隨著巖土有限元計算分析軟件的逐步發(fā)展和成熟，工程中越來越多地采用有限元計算分析指導(dǎo)工程實際施工。劉石磊［4］采用ABAQUS軟件分析了淺埋暗挖隧道支護(hù)的受力特征，并通過現(xiàn)場實際監(jiān)測驗證了仿真計算結(jié)果的正確性。賀志勇等［5］以某公路隧道工程為依托，采用Midas GTS軟件分析了襯砌裂縫對隧道結(jié)構(gòu)安全的影響規(guī)律，較好地實現(xiàn)了對隧道薄弱部位的預(yù)判。趙慧龍等［6］以某歐洲隧道工程為依托，采用Midas GTS軟件分析了隧道洞口下穿公路的施工全過程受力變形，實現(xiàn)了理論對實際的指導(dǎo)作用。黎略［7］采用Midas GTS軟件對云南沖山隧道的開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，為支護(hù)設(shè)計方案提供了有力的理論支撐。現(xiàn)有的研究成果很少有對泥質(zhì)粉砂巖地質(zhì)環(huán)境下的隧道洞身施工進(jìn)行分析，且很少有將Midas GTS軟件分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比分析該軟件的計算效果。

基于此，本文以某高速公路泥質(zhì)粉砂巖地質(zhì)下隧道施工為依托，研究了泥質(zhì)粉砂巖隧道施工支護(hù)的技術(shù)，通過模擬隧道支護(hù)關(guān)鍵施工過程，對支護(hù)的各個施工階段進(jìn)行仿真模擬，對特定支護(hù)參數(shù)下隧道施工安全進(jìn)行分析，通過監(jiān)測變形值來驗證理論計算值及圍巖的穩(wěn)定程度。

1工程概況

某隧道為山區(qū)高速公路建設(shè)中穿越的一座特長隧道，設(shè)計最大埋深約為363 m，洞身開挖最大高度為10.4 m，洞身寬13.42 m，為分離式隧道。

隧道圍巖總體設(shè)計為Ⅳ～Ⅴ級，巖層主要以強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主，構(gòu)造呈中厚層狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎。選取樁號為K25+488處隧道洞身段斷面進(jìn)行研究分析，該隧道地質(zhì)依次由上往下為強風(fēng)化砂巖及中風(fēng)化砂巖，其中強風(fēng)化砂巖的平均厚度為17.4 m，洞身埋深約為33.8 m。

2設(shè)計參數(shù)

2.1隧道支護(hù)參數(shù)（圖1）

2.1.1初期支護(hù)

隧道洞身段施工時，先進(jìn)行C25混凝土初噴封閉掌子面，再開始架設(shè)14#鋼拱架+8 mm鋼筋網(wǎng)片@20 cm×20 cm實行初步支護(hù)，最后再次使用C25混凝土復(fù)噴，其中噴射C25混凝土的總厚度為20 cm，預(yù)留變形值為7 cm。

復(fù)噴完成后先施作系統(tǒng)錨桿。系統(tǒng)錨桿采用22#藥卷錨桿，長度為3 m，呈梅花形布置，布設(shè)間距為100 cm（環(huán)向）×100 cm（縱向），在拱腳位置左右兩側(cè)共設(shè)置2組2根22#藥卷錨桿，長度為3 m，通過U型鋼筋與鋼拱架焊接牢固［8］。

2.1.2仰拱支護(hù)

仰拱開挖后，先噴射C25混凝土20 cm，再施作C30混凝土襯砌仰拱，厚度為40 cm，最后使用素混凝土進(jìn)行填充，回填到設(shè)計標(biāo)高。

2.1.3二次襯砌

使用全斷面液壓襯砌臺車整體澆注工藝施工，采用無鋼筋結(jié)構(gòu)的C30防水混凝土襯砌40 cm。

2.2巖體與支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)設(shè)計勘測和鉆探報告，隧道巖土體與相關(guān)支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)按表1取值。

3結(jié)構(gòu)計算與分析

3.1建立有限元模型

采用Midas GTS軟件建立隧道K25+488處掌子面有限元分析模型（見圖2），模型左側(cè)高度為43 m，底部長度為174 m，右側(cè)高度為113.8 m，模型左上角位置巖體變化走向為斜向下方向，左右兩側(cè)荷載不均勻。為保證模型計算的精確度，隧道網(wǎng)格尺寸按0.5 m控制，巖體網(wǎng)格尺寸按2.0 m控制。對模型的邊界側(cè)邊采取[WTB1X]x約束，底邊采取xy約束，主要承受靜力荷載為自重。

隧道施工模型按核心土法進(jìn)行施工，計算各類支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移情況，并依次進(jìn)行了分析，共分為6個階段。

（1）開挖土體前設(shè)置為初始階段。

（2）開挖1：開挖上部環(huán)形導(dǎo)坑，對上部開挖環(huán)向斷面進(jìn)行初期支護(hù)，并施加系統(tǒng)錨桿，拱腰處施加上部鎖腳錨桿。

（3）開挖2：開挖上部核心土、下部土體兩側(cè)，對開挖斷面兩側(cè)進(jìn)行初期支護(hù)，在拱腰施加系統(tǒng)錨桿，在拱腳處施加下部鎖腳錨桿。

（4）開挖3：開挖下部核心土、仰拱，對仰拱底部進(jìn)行初期支護(hù)。

（5）澆筑仰拱及仰拱填充。

（6）澆筑二次襯砌。

材料的有限元參數(shù)取值如表2所示，總單元數(shù)量為4 397個，總節(jié)點數(shù)為4 466個。

3.2數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1圍巖變形

將初始狀態(tài)下的隧道位移清零，對開挖施工后5種工況下隧道模型的拱頂最大沉降、拱底變形、兩側(cè)橫向最大位移進(jìn)行分析，變化趨勢如圖3、圖4所示，其變形值匯總?cè)缦马摫?所示。

根據(jù)圖3～4和表3所示，拱頂在開挖上部環(huán)形導(dǎo)坑時最大沉降值為1.68 cm，在施作二襯時達(dá)到最大為1.76 cm，施工過程中拱頂沉降波動較小，基本能保證在一個穩(wěn)定的水平，滿足技術(shù)規(guī)范上的要求。最大變形位置位于拱頂右上方，分析其原因為巖層及山體頂部走向為斜向左下方，因洞身埋深不大，山體右側(cè)對隧道拱頂位置施加了偏壓受力導(dǎo)致最大沉降位置向右移動。拱腳最大變形處位于隧道中線底部，在開挖上部核心土和下部兩側(cè)、開挖下部核心土和仰拱后的變形值分別為0.3 cm、0.24 cm，仰拱開挖后達(dá)到最大變形為2.20 cm，在施作仰拱及仰拱填充后變形基本達(dá)到穩(wěn)定。周邊最大位移位于隧道拱腰位置，在開挖下部兩側(cè)土后變形值達(dá)到最大為0.29 cm，之后基本達(dá)到穩(wěn)定。

根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果和變化趨勢分析，該隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)下隧道整體沉降和變形能達(dá)到基本穩(wěn)定。

3.2.2錨桿軸力

在隧道工程進(jìn)尺過程中，隨圍巖的變化通常采取不同錨桿支護(hù)形式，起到的效果也不同。開挖上部核心土、土體下部兩側(cè)工況下系統(tǒng)錨桿軸力、鎖腳錨桿軸力如圖5、圖6所示。

由圖5～6可知，系統(tǒng)錨桿軸力較大值主要分布在拱頂-拱腰右側(cè)的位置，從左往右呈現(xiàn)出由小變大的趨勢，其最大值位于錨桿的端頭位置，系統(tǒng)錨桿所受最大軸力為88.6 kN；兩側(cè)鎖腳錨桿所受最大軸力為119.5 kN，較系統(tǒng)錨桿大，錨桿主要表現(xiàn)為受拉，僅少數(shù)錨桿為受壓。分析可見，隧道洞身段施工中錨桿能起到實際的支護(hù)效果，及時施作鎖腳錨桿，可確保隧道洞身段施工的安全穩(wěn)定。

3.2.3初支應(yīng)力

施作初期支護(hù)的三個階段應(yīng)力計算結(jié)果如圖7所示。據(jù)圖7分析可知，初期支護(hù)軸力基本呈對稱形式分布，兩側(cè)邊墻位置承受應(yīng)力更大，拱頂和拱腳位置承受應(yīng)力較小。初支承受壓力最大值為2 555 kN，位于左側(cè)拱腰位置，因此在開挖上部環(huán)形導(dǎo)坑時需要盡快完成初期支護(hù)，構(gòu)建防護(hù)體系，同時減小圍巖掉塊等安全風(fēng)險。

3.3工程應(yīng)用效果

隧道施工嚴(yán)格按照《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3660-2020）的要求，通過監(jiān)控量測掌握圍巖和支護(hù)動態(tài)信息，判斷圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)可靠性，采用TS09 PLUS全站儀配合反光片在拱頂、拱腰處布設(shè)監(jiān)測點。

隧道變形監(jiān)測更為直觀、簡便，開挖后選擇洞身段[JP]拱頂沉降值進(jìn)行監(jiān)測，由拱頂沉降計算和實際監(jiān)測值對

比分析，在初始開挖上部環(huán)向?qū)Э与A段拱頂發(fā)生較大的沉降變形，開挖過程中有持續(xù)沉降的情況，在仰拱開挖完成后沉降值基本達(dá)到穩(wěn)定。從沉降數(shù)值上分析，實際沉降值始終比計算沉降值小，且在開挖三個階段中都存在變形，沉降變化的趨勢基本和計算模型相似（見圖9）。

在開挖上部核心土和下部土體兩側(cè)前對周邊位移布置監(jiān)測點，監(jiān)測持續(xù)到二襯施作前，現(xiàn)場實際變形基本維持在0.41～0.45 cm，也基本符合模型計算中保持穩(wěn)定的情況。

4結(jié)語

（1）隧道開挖過程中，巖層的走向和力學(xué)特性影響著隧道變形、錨桿軸力和初支應(yīng)力的極值大小與位置，其中拱腰處系統(tǒng)錨桿和兩側(cè)鎖腳錨桿起到了重要效果，此設(shè)計支護(hù)結(jié)構(gòu)下隧道整體沉降變形和受力方面能滿足技術(shù)規(guī)范的要求。

（2）泥質(zhì)粉砂巖隧道巖體地質(zhì)變化大，圍巖實際的破碎程度和特性與設(shè)計并非一致，實際監(jiān)測沉降值與理論計算值存在差距，但在變化趨勢上圍巖的沉降及變形符合計算理論的分析，可以結(jié)合實際情況對模型的計算分析進(jìn)一步拓展。

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作者簡介：程文霖（1990—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-18