基于數(shù)值模擬的軟弱圍巖隧道初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖；初期支護(hù)；參數(shù)優(yōu)化；錨桿

中圖分類號：U455.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.WCcst.2025.03.037

文章編號：1673-4874（2025）03-0130-04

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)交通設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，隧道不可避免地需要穿越復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域[1]。軟弱圍巖是一種典型的復(fù)雜地質(zhì)類型，其較低的承載力和較大的變形潛力常常導(dǎo)致隧道施工面臨較大的安全風(fēng)險(xiǎn)[2]。

為了有效控制隧道圍巖的變形，保障工程施工的安全與順利進(jìn)行，如何優(yōu)化隧道支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為了當(dāng)前研究的重點(diǎn)[3-4]。隨著工程實(shí)踐的深入，現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬成為研究圍巖時(shí)空變化規(guī)律的重要手段[5，對此大量學(xué)者進(jìn)行了深入研究。徐鈺斌等采用FLAC3D軟件對松散軟弱圍巖巷道的掘進(jìn)方案進(jìn)行模擬，并對支護(hù)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，通過現(xiàn)場監(jiān)測驗(yàn)證了該方案的有效性。儲(chǔ)亮等依托重慶陶家隧道，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬結(jié)合的方式研究了不同超前加固方式下隧道的變形和受力情況。王志龍等8基于巖土控制變形分析法，通過有限差分軟件，對不同軟弱圍巖參數(shù)條件下的隧道全斷面開挖情況進(jìn)行數(shù)值模擬。

基于此，本文以某軟弱圍巖隧道實(shí)際工程為背景，分析了圍巖大變形的機(jī)理，通過現(xiàn)場監(jiān)測確定圍巖變形情況，通過數(shù)值模擬研究了不同支護(hù)措施對圍巖變形及支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)力分布的影響。研究可為復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道施工的安全控制提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)域可能導(dǎo)致塑性流動(dòng)或剪切滑移，從而引發(fā)大規(guī)模變形。

地下水滲透作用降低了圍巖的有效應(yīng)力，進(jìn)而降低其抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)了圍巖的變形能力。在濕潤環(huán)境下，圍巖的孔隙水壓力也可能進(jìn)一步加劇變形，甚至在極端情況下引發(fā)圍巖的液化現(xiàn)象。

在高地應(yīng)力環(huán)境下，圍巖將面臨較大的剪切應(yīng)力，這些應(yīng)力會(huì)在局部區(qū)域?qū)е滤苄粤鲃?dòng)或斷裂，尤其在弱結(jié)構(gòu)面或裂隙集中的地方，變形更加顯著。

此外，施工方法及支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是影響軟弱圍巖大變形的重要因素。不同的開挖方式（如鉆爆法、盾構(gòu)法）會(huì)產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng)。若支護(hù)措施不及時(shí)或設(shè)計(jì)不當(dāng)，圍巖的初期變形未能得到有效限制，隨著施工的推進(jìn)，變形會(huì)逐漸加劇，最終可能導(dǎo)致支護(hù)失穩(wěn)或圍巖塌方。

合理的初期支護(hù)設(shè)計(jì)是防止軟弱圍巖大變形的關(guān)鍵措施之一。初期支護(hù)應(yīng)根據(jù)圍巖的力學(xué)性質(zhì)、地下水條件以及開挖進(jìn)度進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖初期能夠有效承受圍巖的變形和外部擾動(dòng)。常見的初期支護(hù)措施包括錨桿、噴射混凝土、鋼支撐等，支護(hù)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度、剛度和靈活性需要根據(jù)實(shí)際圍巖的變形特征進(jìn)行優(yōu)化。

1軟弱圍巖大變形機(jī)理

軟弱圍巖的大變形機(jī)理源于其物理力學(xué)性質(zhì)與外部擾動(dòng)的相互作用。

軟弱圍巖通常具有較低的抗壓強(qiáng)度、較低的剛度以及較高的塑性，這使其在應(yīng)力作用下表現(xiàn)出顯著的塑性變形。當(dāng)隧道開挖破壞了圍巖的原始應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，圍巖內(nèi)的應(yīng)力迅速重分配，尤其在圍巖強(qiáng)度不足以抵抗應(yīng)力

2 現(xiàn)場監(jiān)測分析

本文依托工程為我國西部地區(qū)某山嶺隧道，該隧道采用分離式設(shè)計(jì)，左線全長19030m，右線全長19100m，最大埋深約630m。隧道所處地段存在危巖落石、滑坡、泥石流等多種不良地質(zhì)。

隧道圍巖大變形段為V級泥巖，具有較高的軟化性，且遇水易崩解，表現(xiàn)出較強(qiáng)的膨脹性，在遇水或受到外界擾動(dòng)時(shí)，圍巖的穩(wěn)定性可能大幅下降，進(jìn)而引發(fā)圍巖失穩(wěn)、支護(hù)失效等風(fēng)險(xiǎn)。為有效控制圍巖擾動(dòng)，確保施工的安全性和穩(wěn)定性，采用CRD法進(jìn)行施工。為了實(shí)時(shí)掌握圍巖變形的動(dòng)態(tài)演化情況，確保施工過程中安全，選取該段4個(gè)典型斷面監(jiān)測其初期支護(hù)后的拱頂和拱腰變形，結(jié)果如圖1所示。

2的拱頂沉降量最大，直至監(jiān)測期結(jié)束該數(shù)據(jù)仍然保持增長且其增長速率明顯高于其他3個(gè)斷面。對比4個(gè)監(jiān)測斷面的拱腰收斂變形曲線可知，斷面1和斷面2的最終變形值較大，但是其后期增長速率緩慢，而雖然斷面4和斷面3水平收斂的最終值較小，但其增長速率較大。故綜上認(rèn)為，斷面3的大變形危險(xiǎn)程度最高。

3基于數(shù)值模擬的初支參數(shù)優(yōu)化

3.1數(shù)值模型及參數(shù)

現(xiàn)場監(jiān)測受到施工環(huán)境、空間限制和施工進(jìn)度等因素影響，且監(jiān)測需要大量的人工干預(yù)和維護(hù)，結(jié)果的處理和分析通常依賴于專家經(jīng)驗(yàn)，可能存在一定的主觀性。為了克服現(xiàn)場監(jiān)測的局限性，本文采用數(shù)值模擬技術(shù)對圍巖變形進(jìn)行深入研究。

依托工程左右線隧道分別施工，左線先行施工，施工完成后進(jìn)行右線施工。前文監(jiān)測是針對左線隧道進(jìn)行的，本節(jié)數(shù)值模擬針對左線隧道斷面3進(jìn)行，其三維模型如圖2所示。模型長 100m 高 100m 、寬40m，四周采用法向約束，底部采用全約束。土體采用摩爾-庫侖模型，錨桿、噴射混凝土和鋼拱架均采用結(jié)構(gòu)單元模擬。由于該隧道為深埋隧道，故在模型頂部施加15 MPa 的荷載以模擬上部土體壓力。具體材料參數(shù)如表1所示。

由圖1可知，4個(gè)斷面的拱頂沉降變形和拱腰收斂變形趨勢類似，初期支護(hù)實(shí)施后，在監(jiān)測前期迅速增長，后逐漸放緩。

斷面1在初期支護(hù)第3d時(shí)，拱頂和拱腰變形都發(fā)生了突增，前3d的變形量占總變形量的 50% ；9d之后，拱頂沉降放緩；而在17d之后，拱腰收斂放緩，拱頂和拱腰變形在后期逐漸趨于穩(wěn)定。拱頂沉降和拱腰收斂的變形趨勢基本對應(yīng)變化。

斷面2監(jiān)測點(diǎn)變形在前期呈現(xiàn)出迅速增長趨勢，后期沉降相對放緩，但依然保持增長。其中，拱頂沉降變形呈現(xiàn)出不規(guī)律的增長，在第2d、第4d和第9d時(shí)呈現(xiàn)出突發(fā)性增長，后續(xù)呈現(xiàn)出近線性的增長趨勢；拱腰收斂在前17d呈現(xiàn)出速率較大的線性增長，后期呈現(xiàn)出速率較慢的線性增長。

斷面3監(jiān)測點(diǎn)變形在前19d總體呈現(xiàn)出無規(guī)律的增長趨勢，其總體增長速率較快，后期表現(xiàn)出近線性的增長，增長速率較前期有明顯放緩。

斷面4監(jiān)測點(diǎn)變形在前19d總體呈現(xiàn)出無規(guī)律的增長趨勢，其先增長后放緩，又大幅增長；后期監(jiān)測點(diǎn)表現(xiàn)出非常緩慢的線性增長。

對比4個(gè)監(jiān)測斷面的拱頂沉降變形曲線可知，斷面

3.2 錨桿參數(shù)優(yōu)化

該斷面原設(shè)計(jì)采用5m長的錨桿，25cm厚的C25噴射混凝土，間距為50cm的I20a號鋼拱架對圍巖進(jìn)行初期支護(hù)。

為研究不同錨桿長度對該斷面圍巖穩(wěn)定性的影響，本文將錨桿長度分別設(shè)置為 3.m.5m.7 m和9m這四種工況進(jìn)行分析。開挖結(jié)束后，各工況的拱頂沉降和拱腰收斂結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著錨桿長度的增加，圍巖變形有明顯的減小，但其對圍巖變形的控制作用并不一致。當(dāng)錨桿長度從3m增長至7m時(shí)，錨桿增長對圍巖變形存在明顯的控制作用，但是當(dāng)錨桿長度 gt;7m 時(shí)，對減小圍巖變形的效果明顯降低。

在這四種工況下，錨桿的最大軸向應(yīng)力分別為81 MPa 、122 MPa 、138MPa和180 MPa ，即隨著錨桿長度的增加，其最大軸力明顯增大。而拱頂、拱腰、拱腳等關(guān)鍵位置的軸向應(yīng)力變化如圖4所示。由圖4可知，隨著錨桿的增長，隧道各關(guān)鍵位置的錨桿軸向壓力均有所增加，這主要是因?yàn)殄^桿長度增大之后和巖層的接觸增多，則其阻力也變大，從而起到了整體的支護(hù)作用。但是當(dāng)軸力過大時(shí)，可能會(huì)造成錨桿被拉斷，因此在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)選擇合理的錨桿長度。

當(dāng)錨桿長度為 3～7 m時(shí)，其最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂處，最小軸向應(yīng)力出現(xiàn)在左右拱腳處；當(dāng)錨桿長度為9m時(shí)，其最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在左右拱腰處，拱頂和左右拱腳處的應(yīng)力相對較小。當(dāng)錨桿長度分別為3m和5m時(shí)，拱頂、拱腰和拱底的錨桿軸向應(yīng)力差別較大；當(dāng)錨桿長度分別為7m和9m時(shí)，各關(guān)鍵位置的錨桿軸向應(yīng)力差別有明顯減小。

錨桿長度的增加改善了支護(hù)系統(tǒng)的剛度和圍巖的應(yīng)力分布，導(dǎo)致隧道各關(guān)鍵位置（如拱頂、拱腰、拱底）的應(yīng)力差異逐漸減小。在錨桿長度較短時(shí)，支撐效果較弱，圍巖的變形和應(yīng)力差異較大；隨著錨桿長度的增加，支撐效果逐漸增強(qiáng)，圍巖的應(yīng)力分布變得更加均勻，應(yīng)力差異減小，最終在較長錨桿（如7m和9m）時(shí)，各個(gè)關(guān)鍵位置的應(yīng)力差異明顯減少。

在這四種工況下，關(guān)鍵位置鋼桁架的軸向應(yīng)力變化如圖5所示。由圖5可知，隨著錨桿的長度增加，隧道各關(guān)鍵位置的鋼桁架軸向應(yīng)力存在明顯的減小趨勢。當(dāng)錨桿長度從3m增長到7m時(shí)，由于支護(hù)體系的剛度有顯著提升，圍巖變形得到有效增強(qiáng)，鋼桁架軸向應(yīng)力的減小速率相對較大，而當(dāng)錨桿長度從7m增長到9m時(shí)，支護(hù)效應(yīng)趨于平緩，故鋼桁架軸向應(yīng)力的變化較為平緩。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性認(rèn)為錨桿長度為7m時(shí)最佳。

3.3噴射混凝土厚度優(yōu)化

為研究噴射混凝土的厚度對該斷面圍巖穩(wěn)定性的影響，本文將噴射混凝土厚度分別設(shè)置為21cm、23cm、25cm、27cm和29cm五種工況，對其進(jìn)行分析。開挖結(jié)束后，各工況的拱頂沉降和拱腰收斂結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，隨著噴射混凝土厚度的增加拱頂沉降和拱腰收斂變形值存在明顯的降低。但當(dāng)其從27cm增大至29cm時(shí)，隧道拱腰收斂仍處于明顯的下降趨勢，而拱頂沉降已逐漸平緩。

在這五種工況下，關(guān)鍵位置噴射混凝土的軸向應(yīng)力變化如圖7所示。由圖7可知，隨著噴射混凝土厚度的增加，拱頂和拱腰位置的噴射混凝土軸向應(yīng)力都隨之減小，而拱腳處的噴射混凝土軸向應(yīng)力變化相對較小。由此可見，噴射混凝土厚度的增加有效地增強(qiáng)了隧道支護(hù)系統(tǒng)的剛度和支撐能力，對拱頂和拱腰位置的支撐效果尤其顯著，使這些位置的噴射混凝土軸向應(yīng)力顯著減小。而在拱腳位置，由于其受力狀態(tài)較為穩(wěn)定，噴射混凝土的厚度變化對其軸向應(yīng)力的影響較小，因此拱腳的噴射混凝土軸向應(yīng)力變化相對較小。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性認(rèn)為噴射混凝土厚度為27cm時(shí)最佳。

4結(jié)語

針對某軟弱圍巖隧道實(shí)際工程，本文對其大變形機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測研究了不同斷面拱頂沉降和水平收斂的動(dòng)態(tài)變化情況，選出最危險(xiǎn)斷面，通過數(shù)值模擬進(jìn)行研究，分析了不同支護(hù)參數(shù)對圍巖變形和支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)力分布的影響，得出如下結(jié)論：

（1）通過對4個(gè)典型斷面的拱頂和拱腰變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)變形在開挖初期迅速增長，隨后逐漸趨于平緩。在不同斷面中，拱頂沉降和拱腰收斂的變形趨勢有所不同，尤其在斷面3，拱頂沉降量最大，且變形速率高于其他斷面，顯示出該斷面存在較高的大變形風(fēng)險(xiǎn)。監(jiān)測數(shù)據(jù)揭示了圍巖變形的時(shí)空變化規(guī)律，為后續(xù)的支護(hù)措施調(diào)整和優(yōu)化提供了寶貴的依據(jù)。

（2）錨桿長度對圍巖變形的控制具有顯著影響。當(dāng)錨桿長度從3m增加至7m時(shí)，圍巖的變形得到有效控制，最大軸向應(yīng)力也有所增加，但當(dāng)錨桿長度 gt;7 m后，增大錨桿長度的效果逐漸減弱。綜合考慮安全性與經(jīng)濟(jì)性，7m的錨桿長度為最佳選擇。

（3）噴射混凝土厚度的增加對拱頂和拱腰位置的支護(hù)效果更加明顯。隨著噴射混凝土厚度從21cm增加到29cm，拱頂沉降和拱腰收斂變形均顯著降低，而拱腳位置的軸向應(yīng)力變化相對較小。最優(yōu)的噴射混凝土厚度為27cm，既能有效提高支護(hù)剛度，又能確保支護(hù)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1劉陽陽，蘇永華，羅彪，等.基于極限狀態(tài)的隧道圍巖穩(wěn)定性分析原理與方法[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2024，21（10）：4175-4186.

[2]陳磊.軟弱圍巖地層CD法施工隧道穩(wěn)定性研究[J].公路，2022，67（12）：424-430.

[3]于遠(yuǎn)祥，沈鵬，張永亮，等.動(dòng)靜組合荷載下隧道錨固圍巖累積損傷效應(yīng)與支護(hù)優(yōu)化[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2024，44（6）：1095-1106.

[4何丹，郭亞林，林宇亮，等.地形偏壓對連拱隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖的影響_J」.公路交通科技，2024，41（11）：167-177.

5郭汝濤，賴登甲，李升連，等.考慮結(jié)構(gòu)面蠕變特征的隧道圍巖長期變形研究[J].安全與環(huán)境工程，2024，31（4）：99-108

[6]徐鈺斌，趙啟峰，耿寧，等.松散軟弱圍巖煤巷高效掘進(jìn)及支護(hù)工藝優(yōu)化研究[J].煤炭工程，2024，56（9）：49-55.

[7]儲(chǔ)亮，董沐野，楊僑偉，等.基于超前支護(hù)加固的大斷面深埋軟弱圍巖隧道快速施工方法研究[J.公路，2024，69（9）：379-386

[8王志龍，趙大銘，嚴(yán)志偉，等.超前核心土加固對隧道圍巖變形規(guī)律的影響分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2022，18（增刊）：274-280，295.