特大斷面公路隧道圍巖變形分析及支護(hù)優(yōu)化研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ178;U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2025）07-0168-04

Abstract：Inorder toexplore theinfluenceof the thicknessof theinitial supportshotcreteonthe stressanddeformationof the surrounding rock in tunnel construction，taking the Maanshan Tunnel from Deyang to Chengdusection of the Beijing-Kunming Expresswayasan example，F(xiàn)LAC 3D software was used to establish a three-dimensional solid modelof the tunnel with differentinitial support shotcrete thicknesses for numerical simulation，andthecalculated values were compared with theon-site monitoring data，and the stress and deformation laws of the surounding rock after the supportof different shotcrete thickneses were discussed.The results showed thatthe thicknessof shotcrete increased from 10 cm to 15，20 and 25 cm，and the surface deformation decreased by 4.14% ， 2.13% and 0.85% ， respectively，and the deformation of the vault decreased by 3.84%， 1.92% and 0.94% ，respectively.When the spray thickness was 20cm ，the deformation amplitude of the vault tent to be stable，and when the spray thickness increased from 20 cm to 25cm ，the confining pressure support stress was weakened，and the spraying thickness of 20cm was the optimal scheme and more economical.The comparison between the numerical simulation and the onsite monitoring data showed thatthe numerical calculated value was large and close to the measured data，and the prediction accuracy met the requirements of the guided construction.This case can provide reference experience for the implementation of numerical simulation，monitoring and measurement of similar tunnels in the future.

Key words：highway tunnel； surrounding rock deformation; initial support;；shotcrete;numerical simulation；monitoring and measurement

隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，許多地區(qū)的城市主干線、城市快速路、國(guó)道主干線繞城段交通量增長(zhǎng)迅速，8車(chē)道快速路擴(kuò)建工程和4車(chē)道變8車(chē)道（4改8）擴(kuò)建工程在一些地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始動(dòng)工。雙洞八車(chē)道超大跨扁平公路隧道在受力變形機(jī)理、支護(hù)體系結(jié)構(gòu)、開(kāi)挖工法等方面與常規(guī)隧道有所不同，且國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究相對(duì)較少[1-3]

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)有限元軟件和模型試驗(yàn)對(duì)隧道施工過(guò)程中圍巖應(yīng)力及變形規(guī)律、破壞機(jī)理開(kāi)展研究取得了一定的成果。例如，胡曦波等運(yùn)用MIDAS軟件建立地鐵區(qū)間隧道典型斷面模型探討了圍巖變形數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)系[4-5]；金星亮等通過(guò)ANSYS軟件建立地鐵淺埋隧道模型對(duì)開(kāi)挖斷面進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)[6]；燕波等運(yùn)用FLAC3D對(duì)某高鐵隧道開(kāi)挖圍巖徑向位移規(guī)律進(jìn)行了研究提出了微臺(tái)階法施工[7]；徐文勝等運(yùn)用ADINA有限元軟件模擬分析了不同支護(hù)時(shí)段圍巖應(yīng)力釋放和支護(hù)體系承載能力分布規(guī)律[8-9]；劉建華等基于BIM模型從凈空變化、拱頂下沉等方面進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)為安全施工提供了保障；但無(wú)法實(shí)時(shí)提供圍巖應(yīng)力狀態(tài)[10]

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多為對(duì)施工后的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析或運(yùn)用數(shù)值分析軟件對(duì)各開(kāi)挖方法隧道圍巖變形進(jìn)行數(shù)值模擬，將數(shù)值分析結(jié)果與小比例模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比較多，與施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比較少，對(duì)同種噴射混凝土支護(hù)方式不同噴護(hù)厚度條件下圍巖變形規(guī)律研究較少。

1工程背景與計(jì)算模型

1.1 工程背景

京昆高速公路馬鞍山隧道項(xiàng)目在四川德陽(yáng)市中江縣境內(nèi)，隧道圍巖以近水平分布的中風(fēng)化砂巖和粉砂質(zhì)泥巖互層為主。隧道洞身淺埋段多，巖質(zhì)較軟，局部較破碎，隧道圍巖級(jí)別為IV、V級(jí)，V級(jí)占比多達(dá) 72% 。由于軟弱圍巖自身穩(wěn)定性差，在超大斷面開(kāi)挖過(guò)程中極易發(fā)生坍塌、掉塊及涌水，采取科學(xué)合理的支護(hù)方式變得尤為重要。

該隧道采用雙向八車(chē)道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速120km/h ，雙線布置為分離式小凈距隧道。隧道左線長(zhǎng)度 890m ，右線長(zhǎng)度 885m ，最大埋深 122.7m ，主洞建筑界限為 19m×5m ，人行橫通道 2m× 2.5m ，開(kāi)挖最大斷面 257.05m² ，安全風(fēng)險(xiǎn)高。左右線軸線間距 29.5～37.3m ，開(kāi)挖凈間距28.1＼～36.2m 。隧道左線暗挖V級(jí)圍巖長(zhǎng)度 580m，IV 級(jí)圍巖長(zhǎng)度 230m ;右線暗挖 v 級(jí)圍巖長(zhǎng)度 591m ，IV級(jí)圍巖長(zhǎng)度 240m 。 V 級(jí)圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，IV級(jí)圍巖采用中隔壁法施工。

1.2數(shù)值模型建立

根據(jù)隧道開(kāi)挖后空間效應(yīng)，圍巖3＼～5倍洞徑的區(qū)域應(yīng)力會(huì)發(fā)生重分布，隧道開(kāi)挖初期支護(hù)噴射混凝土見(jiàn)圖1。綜合考慮計(jì)算精度要求，建立的模型長(zhǎng)度為 112m ，高度為 92m ，取隧道長(zhǎng)度方向?yàn)?0m ，模型采用錨索單元（cableunit）模擬錨桿，采用實(shí)體單元模擬噴射混凝土，建立的數(shù)值模型如圖2所示。

1.3計(jì)算參數(shù)選擇

隧道圍巖初期支護(hù)采用 φ25mm 中空注漿錨桿，錨桿長(zhǎng)度為 4.5m ，間距為 100mm×60mm ，呈梅花型布置，每環(huán)18根。噴射混凝土型號(hào)為C35。計(jì)算參數(shù)選取見(jiàn)表1、表2。

2數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 不同噴混厚度圍巖變形分析

運(yùn)用有限元分析軟件FLAC3D對(duì)初期支護(hù)噴混厚度 10，15，20，25cm 的圍巖變形分別進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算不同噴混厚度圍巖變形測(cè)點(diǎn)位移，得到如圖3所示的不同噴混厚度圍巖變形測(cè)點(diǎn)位移曲線圖（取噴混厚度為 10cm.20cm 具體如圖3所示。

由圖3可知，圍巖噴混厚度由 10cm 分別增至15，20，25cm ，地表位移由 17.65mm 分別減小至16.92、16.56、16.42mm ，分別降低了4. 14% 12.13% （20 .0.85% ;拱頂位移由 28.10mm 分別減小至27.02，26.50，26.25mm ，降低分別為 3.84% ！1.92% .0.94% ；當(dāng)噴混厚度大于 20cm 后，地表變形與拱頂變形隨噴混厚度的增加明顯變緩。由此可知，噴混厚度 20cm 時(shí)支護(hù)效果最佳。

2.2 不同噴混厚度圍巖應(yīng)力分析

噴射不同厚度混凝土支護(hù)后圍巖的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

由表3可知，當(dāng)圍巖初期支護(hù)噴混厚度分別為10、15、20、25cm時(shí)，拱頂拉應(yīng)力最大值分別為0.0670.136、0.1720.196MPa，圍巖邊墻壓應(yīng)力最大值分別為 2.596.2.689.2.696.2.703MPa 。隨著噴混厚度的增加，最大拉應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，但增幅逐漸變緩；最大壓應(yīng)力由2.596MPa增加至2.696MPa ，隨噴混厚度增加變化并不明顯，改變噴混厚度對(duì)圍巖壓應(yīng)力影響較小。

3監(jiān)測(cè)方案及量測(cè)方法

3.1拱頂下沉及周邊位移量測(cè)點(diǎn)布置

拱頂下沉和周邊位移的量測(cè)斷面應(yīng)布置在同一里程斷面，各測(cè)點(diǎn)埋入圍巖深度不小于 0.2m 。觀測(cè)點(diǎn)采用大規(guī)格（ 5cm×5cm 高精度專(zhuān)用反射膜片，埋設(shè)時(shí)盡量與隧道周壁保持垂直，確保全站儀能精確照準(zhǔn)反射膜片中心。拱頂下沉及周邊收斂量測(cè)點(diǎn)布置方案見(jiàn)表4及圖4、圖5；拱頂下沉及周邊收斂量測(cè)頻率設(shè)計(jì)見(jiàn)表5。

3.2地表下沉量測(cè)點(diǎn)布置

在開(kāi)挖面距離量測(cè)斷面三倍隧道開(kāi)挖寬度以前布設(shè)地表下沉測(cè)點(diǎn)，地表下沉測(cè)量與洞內(nèi)凈空變化和拱頂下沉量測(cè)布置在同一斷面上。地表下沉量測(cè)斷面間距設(shè)置見(jiàn)表6；地表下沉量測(cè)頻率見(jiàn)表7。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析

選取左線隧道典型斷面（ K67+958 進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，襯砌厚度為 20cm ，該斷面累計(jì)變形值與時(shí)間關(guān)系曲線如圖6所示；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表8。

由圖6及表8可知，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)該斷面拱頂沉降穩(wěn)定累計(jì)位移為 22. 25mm ，數(shù)值模擬值為26.50mm ，相差 4.25mm ；地表沉降穩(wěn)定后累計(jì)位移為 12.26mm ，數(shù)值模擬值為 16. 56mm ，相差4.3mm ;水平收斂穩(wěn)定后位移為 7.76mm ，數(shù)值模擬值為 9.36mm ，相差 1.60mm 。數(shù)值計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏大且接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)精度完全滿(mǎn)足指導(dǎo)施工技術(shù)要求。

4結(jié)語(yǔ)

依托京昆高速公路馬鞍山隧道特大斷面支護(hù)難點(diǎn)，研究了不同噴射混凝土厚度隧道圍巖應(yīng)力變形規(guī)律，提出了初期支護(hù)噴射混凝土厚度的優(yōu)選方案和科學(xué)合理的監(jiān)控量測(cè)方法。

（1）數(shù)值模擬分析表明，圍巖不同初支噴混厚度位移云圖相似，主要為數(shù)值差異。隨著噴混厚度增大，對(duì)應(yīng)的地表位移逐漸減小，當(dāng)噴混厚度大于20cm 后，減小幅度明顯變緩，拱頂沉降減小幅度趨于穩(wěn)定。由此可知，噴混厚度為 20cm 時(shí)效果最佳；

（2）隨著初支噴混厚度的增加，最大拉應(yīng)力逐漸增大，但增幅逐漸減小并趨于穩(wěn)定；最大壓應(yīng)力變化較小，改變噴混厚度對(duì)圍巖壓應(yīng)力影響不大。當(dāng)噴護(hù)厚度由 20cm 增加到 25cm 時(shí)，圍壓受壓由2.696MPa 減小到 2.693MPa ，隨著噴混厚度增加有支護(hù)壓應(yīng)力削弱現(xiàn)象；

（3）初支噴混厚度 20cm 隧道圍巖應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接近，對(duì)圍巖變形控制效果良好，滿(mǎn)足隧道結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備且更具經(jīng)濟(jì)效益。

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