硬巖破碎帶公路隧道柔性讓壓支護結構受力特性分析

針對硬巖破碎帶隧道開挖后易出現變形過大，導致坍塌、強剛性支護結構實用性不高的問題，文章采用數值模擬方法，研究柔性讓壓支護結構應用于硬巖破碎帶隧道中的可行性，并基于GSI巖體分級對硬巖破碎帶圍巖模擬計算參數進一步精細化，使計算結果更貼近實際工況。通過數值模擬計算得到柔性讓壓支護結構在硬巖破碎帶中的應用效果及受力特性：在硬巖破碎帶中施作柔性讓壓支護結構，能夠更好地發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，有效減小坍塌等災害出現的可能性；施作柔性讓壓支護結構時，破碎帶隧道開挖后的形變量較??；柔性讓壓支護結構中的錨桿與鋼帶能夠共同作用，更合理分配受力，提高錨桿的使用效率。

硬巖破碎帶；公路隧道；柔性讓壓支護；數值分析

U445.7A501585

作者簡介：

藍煥明（1986—），工程師，主要從事隧道工程管理與防災減災技術研究工作。

0" 引言

隨著施工技術與設備的快速發(fā)展，我國公路隧道工程的建設更加智能化，公路隧道工程的建設繼續(xù)向險峻崎嶇山區(qū)方向發(fā)展，部分公路隧道建設選址經過斷層破碎帶，在該類區(qū)域，隧道周邊圍巖穩(wěn)定性較差。針對上述情況，設計中多采用長錨桿、大厚度噴射混凝土等措施提高支護強度，這些措施能夠有效降低施工過程中出現危險的可能性。但是在硬巖地層破碎帶的公路隧道中進行強剛性支護措施應用時，容易出現初期支護荷載過大、開挖隧道周邊圍巖應力卸載小的隱患，造成后期二襯施作后，對應位置出現初期支護變形嚴重、侵限，導致隧道二襯開裂損壞等問題，會增加施工成本，影響工程進度，減少隧道使用壽命。在此背景下，研究柔性支護結構在硬巖破碎帶公路隧道中的受力特性以及支護效果具有重要的工程意義。

目前，國內外學者對于柔性支護體系的研究主要集中于在軟弱圍巖地層隧道工程［1-2］或者小斷面礦洞巷道［3-4］，柔性讓壓支護結構能夠更好地發(fā)揮隧道開挖后圍巖的自穩(wěn)能力，支護受力更加合理［5］。但是，在硬巖破碎帶公路隧道中使用柔性讓壓支護結構的可行性與受力特性還有待進一步研究。另一方面，在硬巖破碎帶隧道數值模擬方面，目前主要還是以規(guī)范為依據，憑借經驗進行取值［6-7］，或者是現場鉆孔確定物理力學參數［8］，在理論研究方面，需要一套更為漸變精確的定量計算方法來對硬巖破碎帶巖體的模擬計算參數進行確定。

本文對硬巖破碎帶的地層物理力學參數進行進一步細化，從而獲得更貼近實際工程情況的巖體力學模擬計算參數，使用FLAC3D軟件，計算分析柔性讓壓支護結構應用于硬巖破碎帶隧道中的受力特性。由此，對柔性讓壓支護結構應用于硬巖破碎帶大斷面隧道中的可行性進行判斷。

1" 硬巖破碎帶地層巖體力學參數的確定

1.1" 基于GSI分級的地層巖體力學參數計算法

在隧道支護結構設計過程中，圍巖完整性是影響隧道主體結構開挖后受力的重要原因之一，與完整性較好的地質環(huán)境條件相比，破碎帶地層條件下的隧道周邊圍巖會受到巖層破碎結構面的切割弱化作用，在公路隧道斷面尺寸空間效應的共同作用影響下，隧道開挖過程中周邊圍巖易出現大變形等危險災害。目前圍巖完整性使用定性的方法進行劃分，導致在工程模擬計算中參數選取與實際工程的地質條件差距較大?；贕SI分級方法能夠對硬巖破碎帶的地層強度進行分級，結合經驗公式估算出實際工程隧道所處地層的物理力學參數，由此能夠對硬巖破碎帶大斷面隧道進行更貼合實際情況的數值計算分析。

GSI分級首先以實際工程中的巖石塊體的節(jié)理發(fā)育程度作為基礎，結合GSI分級圖表（圖1），得到破碎巖層的GSI值。

本文針對鑲嵌結構進行研究，查表可知，鑲嵌結構破碎地層的GSI值在45～55進行取值，將GSI值代入Hoek［9］得到的經驗公式中，獲得巖體的彈性模量Emass。

Emass=Ei0.02+1-D/21+exp60+15D-GSI/11（1）

式中：Emass——完整巖石的彈性模量；

D——對應巖體的擾動參數。

由表1進行取值。

FLAC3D軟件模擬計算遵守摩爾-庫侖屈服準則，在確定模擬計算參數前，需要對巖體Hoek-Brown常數進行換算，等效換算中涉及的Hoek-Brown常數有mb，s，a，分別按照式（2）進行計算：

mb=miexpGSI-10028-14D（2）

s=expGSI-1009-3D

a=12+16exp-GSI15-exp-203

式中：mi——巖體在完整條件下對應的材料常數，可在實驗室中由巖體的三軸試驗通過數據擬合獲得。

Marinos和Hoek進行多次試驗后，獲得了不同巖體對應的mi參考值，如表2所示。

FLAC3D軟件數值模擬計算中所需的粘聚力c以及內摩擦角φ按照式（3）計算：

c=σci1+2as+1-ambσ3ns+mbσ3na-11+a2+a1+6ambs+mbσ3na-1/1+a2+a（3）

φ=sin-16ambs+mbσ3na-121+a2+a+6ambs+mbσ3na-1（4）

式中：σ3n=σ3max/σc；

σc——室內巖石單軸抗壓強度；

σ3max——Hoek-Brown準則與摩爾-庫侖準則關系限制應力的上限值，可以通過式（5）進行計算。

σ3maxσcmass=0.47σcmassγH-0.94（5）

式中：σcmass——巖體抗壓強度（MPa），σcmass=σcsa；

γ——巖體的容重（MN/m3）；

H——埋深（m）。

當水平應力值超過垂直應力時，γH由水平應力值代替。

硬巖破碎帶公路隧道柔性讓壓支護結構受力特性分析/藍煥明

1.2" 數值模擬計算巖體力學參數的確定

廣西某隧道所處地層，經過現場勘查可知，隧道選址范圍內巖石飽和抗壓強度為55～60 MPa，破碎帶位置圍巖設計等級為Ⅲ級，穿越地層多為砂巖，以棱角狀巖塊為主，巖體完整性較差，層間結合較差，主要發(fā)育有4組裂隙。根據《公路隧道設計規(guī)范》（JTG 3370.1-2018）第A.0.5條與第A.0.6條規(guī)定，該地層屬于硬巖破碎巖層。根據第A.0.7條規(guī)定，選取Ⅲ級圍巖硬巖破碎帶容重值為25 kN/m3；考慮現場實際地層環(huán)境，根據GSI分級圖表，選擇實際工程GSI值為50；根據現場開挖實際情況，巖層擾動參數D為0.8；查表得巖石材料常數mi為18；破碎帶位置隧道設計埋深為60 m；室內巖石單軸抗壓強度為55 GPa。代值計算，得到內摩擦角φ為49.9°，粘聚力c為0.32 MPa。

隧道開挖后周邊圍巖巖體力學計算參數如表3所示。

2" 數值模擬計算與結果分析

2.1" 計算模型

數值計算隧道模型如圖2所示。根據隧道模型大小，選擇模型邊界5倍長度作為隧道數值計算整體模型尺寸的邊界值，如下頁圖3所示，數值計算模型尺寸為120 m×110 m。

隧道計算采用兩臺階法開挖，縱深取60 m，其中20～40 m為硬巖破碎帶計算區(qū)域，其余區(qū)域為完整地層條件。規(guī)定開挖掌子面位置為隧道縱深30 m處。通過對Z方向施加荷載，模擬隧道在60 m埋深情況下受到的上部地層壓力情況，在容重為25 kN/m3的Ⅲ級圍巖條件下，應在Z方向增加荷載為0.15 MPa。如圖4所示。

柔性讓壓支護結構使用鋼帶替代傳統工字型鋼，增加支護結構的抗彎強度，在隧道開挖過程中，使周邊圍巖能夠進行更大程度的變形，實現讓壓支護的效果，由此充分發(fā)揮破碎帶圍巖的自穩(wěn)能力。另一方面，與傳統支護結構相比，鋼帶與巖層表面的接觸面積更大，在破碎地層中，鋼帶能夠承接更大面積的破碎巖塊。同時，通過鉸接連接，鋼帶能夠與錨桿進行共同受力，錨桿受到的圍巖壓力能夠得到更好的分配，更能有效地發(fā)揮錨桿的懸吊作用和支承作用。如圖5所示。

隧道初期支護結構中，噴射混凝土使用C25混凝土，錨桿使用22的HRB400鋼筋，錨桿長度為3.5 m，鋼帶使用輥彎成W型鋼帶，數值模擬計算中的初期支護結構的計算參數如表4所示。

在FLAC3D軟件數值計算中，分別使用Shell單元、Cable單元、Beam單元對噴射混凝土、錨桿、鋼帶進行模擬。支護結構模擬計算如圖6所示。

2.2" 數值計算結果分析

2.2.1" 隧道開挖后周邊圍巖受力特性分析

對隧道縱深29 m掌子面附近破碎帶位置斷面計算結果進行分析，基于第一、第四強度準則，提取隧道周邊圍巖的最大主應力和剪切應力，如圖7、圖8所示。提取塑性區(qū)情況，如圖9所示。

由圖7～9可知，隧道開挖后圍巖所受最大應力為0.18 MPa，出現在拱腳位置；同時，最大剪應力主要出現于隧道洞壁附近，并未出現最大剪應力向周邊巖層位置偏移的現象。除仰拱位置外，隧道圍巖塑性區(qū)已貫通，但塑性區(qū)面積較小。

分析可知，破碎帶位置讓壓支護結構隧道周邊圍巖均已處于塑性狀態(tài)，與強剛性支護結構相比，讓壓支護下的隧道周邊圍巖能夠更好地發(fā)揮其自穩(wěn)能力，在該條件下施作讓壓支護結構，受力位置更為合理，出現坍塌等突發(fā)性災害的可能性較小。

2.2.2" 隧道開挖后周邊圍巖位移分析

提取隧道縱深29 m掌子面附近位置與縱深20 m位置的隧道斷面位移進行對比研究。不同位置處的圍巖位移如圖10、圖11所示。

（a）拱頂沉降

（b）水平收斂

由圖10、圖11可知，硬巖破碎帶隧道在施作柔性讓壓支護結構之后，在掌子面附近的斷面最大沉降量為8.14 mm，水平收斂最大值為1.42 mm；在遠離掌子面的斷面最大沉降量為7.61 mm，相差6.9%，水平收斂最大值為1.32 mm，相差7.5%。破碎帶不同位置處的斷面最大沉降均在拱頂處獲得，水平收斂最大值均出現在拱腳處，最大值遠小于規(guī)范要求的變形預警值，且不同斷面位置的值相差不大。

分析可知，將柔性支護結構應用于硬巖破碎帶隧道后，出現大變形破壞以及變形不均勻導致拉裂破壞的可能性較小。

2.2.3" 柔性讓壓支護結構受力分析

對隧道縱深29 m掌子面附近破碎帶位置斷面支護結構計算結果進行分析，錨桿所受軸向力與應力如圖12、圖13所示。

（a）拱頂沉降

（b）水平收斂

由圖12、圖13可知，錨桿所受軸力均為正值，說明柔性讓壓支護系統應用于硬巖破碎帶時，錨桿受到的均為拉力。同一位置的錨桿在接近隧道端處軸力最大，向深入巖層的方向越來越小。該斷面位置錨桿所受最大應力為70.68 MPa，遠小于錨桿的屈服強度。

提取隧道縱深29 m破碎帶掌子面附近位置與縱深10 m位置完整地層的支護鋼帶受力情況進行對比研究，所受軸向力如圖14、圖15所示。

由圖14、圖15可知，柔性讓壓支護結構中的鋼帶在破碎帶與完整地層中受到軸向力的分布基本一致，在拱腳位置附近出現最大值，在破碎帶位置軸力最大值為100.45 kN，在完整地層軸力最大值為81.89 kN。與完整地層條件相比，在破碎帶位置柔性讓壓支護結構中鋼帶受到的軸力要大22%。

研究分析可知，鋼帶在與錨桿聯合進行支護的過程中能夠更合理分配受力，提高錨桿的使用效率。同時，由于柔性支護結構屬于主動支護，能夠更好地承接隧道周邊圍巖的受力。

3" 結語

（1）施作柔性讓壓支護結構能夠充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，周邊圍巖受力較小，且未出現最大剪應力向周邊巖層位置偏移的現象，能夠有效減小坍塌等突發(fā)性災害出現的可能性。

（2）施作柔性讓壓支護結構，隧道開挖后掌子面附近的最大沉降量為8.14 mm，水平最大收斂為1.42 mm，破碎帶隧道開挖后的變形量較小，掌子面附近不會出現變形突變，由于變形不均勻導致拉裂破壞的可能性較小。

（3）柔性讓壓支護結構中錨桿與鋼帶能夠共同作用、主動支護，錨桿受到的最大軸力位置出現在拱腳處，同一位置的錨桿，軸力沿著隧道斷面往巖層方向逐漸減小。鋼帶構件在破碎帶中支護效果更優(yōu)，破碎帶中進行支護時受到的軸力受力比在完整地層中大22%。

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20240426