大觀亭隧道軟巖段巖體力學(xué)特性及支護(hù)方案研究

中圖分類號：U455.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.032

文章編號：1673-4874（2025）01-0107-04

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和交通建設(shè)投資的不斷增加，隧道工程數(shù)量日趨增多[1，經(jīng)常需要穿越復(fù)雜山區(qū)。隧道跨越此類艱險(xiǎn)區(qū)域的過程中常遇到高地應(yīng)力、巖體質(zhì)軟且結(jié)構(gòu)面發(fā)育等復(fù)雜地質(zhì)問題，可能會產(chǎn)生較大變形和失穩(wěn)破壞。因此，明確這類復(fù)雜條件下隧道圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力規(guī)律，提出科學(xué)、合理的支護(hù)措施是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。

目前，針對高地應(yīng)力條件下軟巖隧道圍巖變形特征和支護(hù)方案的研究已有較多成果。李峰2以玉磨鐵路某高地應(yīng)力構(gòu)造破碎帶隧道為研究對象，基于初支位移監(jiān)測結(jié)果分析了隧道大變形災(zāi)變機(jī)制，針對隧道變形破壞特點(diǎn)提出了具體的支護(hù)加固方案。陳建勛等3基于某大跨度綠泥石片巖隧道實(shí)際工程現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，分析了高地應(yīng)力軟巖隧道的大變形災(zāi)害特征，構(gòu)建隧道大變形分級標(biāo)準(zhǔn)，并針對變形等級提出相應(yīng)的支護(hù)建議。曹小平等[4]針對蘭渝鐵路某高地應(yīng)力軟巖隧道的大變形問題，通過現(xiàn)場監(jiān)測手段研究了多種支護(hù)體系下隧道圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征，基于試驗(yàn)段的實(shí)際情況提出合理的支護(hù)措施。季萬順等依托某深埋高地應(yīng)力板巖隧道實(shí)際工程，開展三軸壓縮試驗(yàn)研究圍壓對板巖變形和強(qiáng)度特性的影響規(guī)律，通過數(shù)值模擬和多元線性回歸分析方法對隧道預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行敏感性分析，并基于此提出了科學(xué)、有效的初期支護(hù)方案。

本文以大觀亭隧道軟巖段實(shí)際工程為研究對象，開展室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)研究層狀千枚巖的力學(xué)特性，運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件模擬隧道開挖過程中的圍巖變形和支護(hù)受力特征，基于支護(hù)參數(shù)敏感性分析，根據(jù)“針對性、綜合性、經(jīng)濟(jì)性”原則，提出適用于不同地質(zhì)條件的有效支護(hù)方案。

1工程概況

廣西桂林一恭城一賀州高速公路大觀亭隧道總長

5642m，最大埋深約330m，洞口凈寬 11.5m 凈高5.0m 。隧址區(qū)地形起伏較大，隧道進(jìn)出口存在不利結(jié)構(gòu)面組合，洞口邊仰坡穩(wěn)定性一般。隧道沿線以V級、V級圍巖為主，多為層狀千枚巖、泥質(zhì)粉砂巖，巖質(zhì)軟，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)面整體性差。地下水基本類型主要為基巖裂隙水，主要受大氣降水補(bǔ)給，圍巖自穩(wěn)能力較差。分析上述情況可知，研究該隧道埋深較大，地應(yīng)力水平高，圍巖多為結(jié)構(gòu)面發(fā)育的軟巖，整體穩(wěn)定性較差，在較高地應(yīng)力場環(huán)境作用下極易產(chǎn)生大變形災(zāi)害，故需對其軟巖力學(xué)特性及隧道施工支護(hù)方案進(jìn)行研究，以期為大觀亭隧道軟巖段的設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)支撐。

2軟巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究

選取隧道典型區(qū)段層狀千枚巖巖塊，采用高精度線切割機(jī)沿與巖層層面垂直、平行和呈 角度的3個(gè)方向?qū)⑵涓钪瞥? 100mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱尺寸。試驗(yàn)測得所取巖樣的自然含水率約為 6.3% ，據(jù)此開展三軸壓縮試驗(yàn)，獲取自然含水率狀態(tài)下不同層理角度和含水狀態(tài)巖樣的三軸壓縮強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度及彈性模量。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

繪制巖樣三軸壓縮強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度隨層理傾角的變化曲線如圖1所示，根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則繪制巖樣黏聚力、內(nèi)摩擦角等強(qiáng)度參數(shù)與層理傾角的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖 可知，巖樣的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出明顯的各向異性特征，隨著層理傾角的增大，巖樣強(qiáng)度和強(qiáng)度參數(shù)均表現(xiàn)出先減小后增大的變化規(guī)律。45°層理傾角巖樣的三軸壓縮強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度最低，黏聚力和內(nèi)摩擦角最??；平行和垂直于層理面巖樣的強(qiáng)度和強(qiáng)度參數(shù)較高。以上結(jié)果表明，含一定層理傾角圍巖的承載能力較低，在自重作用下極易產(chǎn)生層間滑移破壞，故在此類區(qū)段隧道開挖施工過程中需加強(qiáng)支護(hù)措施，以提高圍巖的整體穩(wěn)定性。

隧道模型如圖3所示?？紤]邊界效應(yīng)對模擬結(jié)果的影響，模型尺寸考慮 倍洞徑，計(jì)算模型整體寬85m（ X 方向）高 方向）深 方向），隧道埋深為28. 5m 。根據(jù)實(shí)際工況，模型頂部不設(shè)置約束，施加 的豎向荷載模擬高埋深工況；底面和四周設(shè)置法向約束。模型施工完全模擬三臺階工法，巖體開挖后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)。模型圍巖采用實(shí)體單元模擬，選用遍布節(jié)理本構(gòu)模型模擬圍巖層理的各向異性特征；初期支護(hù)為噴錨體系，采用實(shí)體單元模擬；二次襯砌為0.6m厚的C30混凝土，拱頂位置采用超前小導(dǎo)管注漿加固，采用殼單元（shell）模擬。根據(jù)具體工況及力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，本次模擬的材料參數(shù)設(shè)置如表2所示。

3.1模型的建立

3隧道軟巖段支護(hù)方案研究

上述力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，隧道圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育、質(zhì)軟且破碎，在較高地應(yīng)力、地下水發(fā)育及巖層傾角不利的情況下，具有較大的變形失穩(wěn)趨勢，因此需對此類地段隧道圍巖的支護(hù)方案開展研究。本文采用FLAC3D有限差分軟件建立大觀亭隧道三維計(jì)算模型，研究隧道開挖過程中圍壓和支護(hù)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律，并進(jìn)行支護(hù)參數(shù)敏感性分析，研究噴射混凝土厚度、錨桿長度和注漿厚度對圍巖變形和支護(hù)受力的影響。

3.2開挖全過程中的圍巖變形和支護(hù)受力規(guī)律

以縱向深度為25m的居中斷面為監(jiān)測對象，繪制隧道開挖施工全過程中監(jiān)測斷面圍巖變形和拱腳應(yīng)力（該位置易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中）隨施工步的演化曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著開挖的進(jìn)行，隧道圍巖變形和初支應(yīng)力總體表現(xiàn)出三個(gè)階段的發(fā)展趨勢：I階段，掌子面開挖至監(jiān)測斷面以前，隧道拱頂沉降、水平收斂及初支拱腳應(yīng)力基本保持不變；Ⅱ階段，開挖至監(jiān)測斷面附近及以后，隨著上、中、下臺階的輪流施工和初支的及時(shí)施作，圍巖變形和初支應(yīng)力持續(xù)發(fā)展；Ⅲ階段，掌子面遠(yuǎn)離監(jiān)測斷面后，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)加固作用的充分發(fā)揮，圍巖變形和支護(hù)應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。另外，監(jiān)測斷面開挖前，圍巖受前方附近掌子面開挖影響已產(chǎn)生較大變形，且拱頂位置產(chǎn)生的變形較拱腰位置更加劇烈。而圍巖拱腰位置在開挖完成后產(chǎn)生了更大累積變形，即開挖過程中拱腰位置巖體的位移響應(yīng)更加劇烈。此外，可以發(fā)現(xiàn)，洞周圍巖最大變形速率主要發(fā)生在上臺階開挖工序，故在現(xiàn)場施工過程中應(yīng)注意工序銜接，各開挖工序完成后及時(shí)采取初期支護(hù)措施快速封閉暴露巖體，可有效控制圍巖變形速率，降低隧道失穩(wěn)破壞風(fēng)險(xiǎn)。

3.3支護(hù)參數(shù)敏感性分析

為優(yōu)化隧道支護(hù)加固方案，對隧道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，分析不同噴射混凝土層厚（ 15cm、20cm、25cm、30cm）、錨桿長度 和注漿厚度 工況下隧道圍巖變形和支護(hù)受力情況，計(jì)算結(jié)果如表3所示。其中，圍巖塑性區(qū)體積通過編寫FISH語言程序提取，二次襯砌的安全系數(shù)參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算確定。

3.3.1圍巖變形

隨著噴射混凝土層厚、錨桿長度及注漿厚度的增大，隧道拱頂沉降和水平收斂逐漸降低，降低幅度可達(dá)20% ，表明三種增大支護(hù)剛度的措施均能有效控制圍巖變形。對比不同支護(hù)方案下隧道拱頂沉降和水平收斂的變化幅度可以發(fā)現(xiàn)：增大噴射混凝土層厚對拱腰變形的控制效果大于拱頂；錨桿長度對拱頂變形的影響更加劇烈；注漿厚度對拱頂和拱腰變形的影響相當(dāng)。工程中可通過提高噴射混凝土層厚、錨桿長度及注漿厚度等措施綜合調(diào)整、控制圍巖變形。

3.3.2 塑性區(qū)體積

隨著噴射混凝土層厚、錨桿長度及注漿厚度的增大，隧道塑性區(qū)體積不斷減小。30cm厚噴射混凝土工況相對于15cm工況的隧道塑性區(qū)體積降低幅度約 5.4% 6m錨桿長度工況相對于3m工況的塑性區(qū)體積降低幅度約 3.2% ；3m注漿厚度工況相對于0.6m工況的塑性區(qū)體積降低幅度約 1.6% 。這說明增大噴射混凝土層厚、錨桿長度及注漿厚度能從一定程度上改善圍壓的塑性區(qū)分布，但相對于噴射混凝土層厚，提升錨桿長度和注漿厚度對塑性區(qū)的作用有限。

3.3.3支護(hù)應(yīng)力及安全系數(shù)

隨著噴射混凝土層厚的增大，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)更多的圍巖變形導(dǎo)致初支壓應(yīng)力逐漸增大，二襯壓應(yīng)力小幅增大，二襯安全系數(shù)不斷提高。表明增大噴射混凝土層厚能降低二襯開裂風(fēng)險(xiǎn)，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全儲備。隨著錨桿長度和注漿厚度的增大，初支壓應(yīng)力和二襯壓應(yīng)力小幅減小，二襯安全系數(shù)小幅度增加。相較提升噴射混凝土厚度而言，增長錨桿和增大注漿厚度對支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和安全系數(shù)的影響較小。因此，工程設(shè)計(jì)和施工過程中應(yīng)優(yōu)先考慮增大噴射混凝土厚度以提升初支剛度和承載能力，減小二襯承受荷載，提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體安全儲備，降低隧道變形和失穩(wěn)破壞風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 支護(hù)建議

大觀亭隧道地形起伏大，埋深落差大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，圍巖多為結(jié)構(gòu)面發(fā)育的層狀軟巖，存在多處高地應(yīng)力一巖體破碎段及地形地質(zhì)過渡段。針對大觀亭隧道具體情況，基于“針對性、綜合性、經(jīng)濟(jì)性原則，提出軟巖段支護(hù)建議如下：

（1）高、低地應(yīng)力過渡段，隧道容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)加強(qiáng)拱腰、拱腳等多個(gè)關(guān)鍵部位的錨桿支護(hù)。

（2）對于易發(fā)生由層狀巖體彎曲引起的大變形破壞的隧道段，應(yīng)對可能產(chǎn)生大變形的部位加強(qiáng)支護(hù)措施。

（3）對于不同變形程度及地質(zhì)情況的隧道段，應(yīng)根據(jù)具體情況采取針對性的支護(hù)措施，可考慮采取長短錨桿結(jié)合的方式進(jìn)行支護(hù)，保障安全的同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益。

（4）對于塑性區(qū)發(fā)育的高地應(yīng)力軟巖隧道段，應(yīng)加強(qiáng)鋼拱架的剛度和密度，以提高初期支護(hù)強(qiáng)度。

4結(jié)語

本文以大觀亭隧道軟巖段為研究對象，開展室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)研究隧址區(qū)層狀千枚巖的力學(xué)特性，采用數(shù)值分析方法研究開挖施工及支護(hù)參數(shù)對隧道變形和支護(hù)受力的影響，并結(jié)合工程實(shí)際提出具有針對性的支護(hù)建議。主要結(jié)論如下：

（1）室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，水對隧址區(qū)巖體具有較強(qiáng)的軟化作用，巖體強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的各向異性特征，巖樣強(qiáng)度和強(qiáng)度參數(shù)隨層理傾角的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律。工程中需注重隧道地下水防護(hù)和巖層傾角不利地段的支護(hù)加固。

（2）分析隧道開挖全過程的數(shù)值模擬結(jié)果可知，掌子面開挖至監(jiān)測斷面前，洞周圍巖受前期開挖影響已產(chǎn)生較大變形，斷面上臺階開挖時(shí)圍巖變形速率最快。故在開挖工序完成后應(yīng)及時(shí)采取初期支護(hù)措施控制圍巖變形。

（3）增大噴射混凝土層厚、錨桿長度及注漿厚度能從一定程度上控制圍巖變形、減小塑性區(qū)體積、降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力并提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。各措施根據(jù)不同情況具有不同的作用效果。

（4）針對大觀亭隧道具體情況，根據(jù)“針對性、綜合性、經(jīng)濟(jì)性”原則，提出了適用于不同地質(zhì)隧道段的軟巖段支護(hù)建議。

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