隧道Ⅴ級圍巖噴射混凝土襯砌厚度數值分析

鄭躍潼

摘要：噴射混凝土作為新奧法施工的三大必須手段之一，對洞室圍巖起到支護的作用，其中噴射混凝土襯砌的厚度對圍巖支護效果影響較大。本文針對公路隧道Ⅴ級圍巖進行UDEC數值模擬，分析不同噴層厚度對圍巖穩定性的影響。結果表明，對于Ⅴ級隧道圍巖，要采用鋼拱架、鋼筋網、錨桿和噴射混凝土聯合支護，且噴射混凝土厚度為25cm時，支護效果最好。研究結果為隧道初期支護施工設計提供了科學依據和參考。

Abstract： As one of three essential means of the new Austrian method constructional， the shotcrete construction plays a supporting role in the surrounding rock， and the shotcrete lining thickness has a great effect on the supporting effect of the surrounding rock. The UDEC numerical simulation for Class-V surrounding rock in tunnels is taken to analyze the influence of different shotcrete thickness on the stability of the surrounding rock. The results show that for Class-V surrounding rock in tunnels， when using the steel arch， steel mesh， bolt and shotcrete for combined support and shotcrete thickness is 25cm， the supporting effect is best. The results provide scientific basis and reference for initial supporting construction design of the tunnel.

關鍵詞：噴射混凝土；襯砌厚度；數值分析；圍巖穩定；聯合支護

Key words： shotcrete；lining thickness；numerical analysis；stability of surrounding rock；combined support

中圖分類號：U452.1+2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）13-0150-03

1 UDEC簡介

基于牛頓第二定律建立起來的剛體離散單元法在1971年提出之初主要用在巖石邊坡運動的分析和研究中，之后又推廣應用到準靜力或動力條件下節理系統或塊體集合的力學研究中。假設塊體為準剛度體，節理或弱面控制影響著塊體的運動。將節理巖體看作由裂隙切割的非連續介質，相互切割的裂隙將巖體分成相互獨立的塊體單元，單元之間可以看成是角-角接觸、角-邊接觸或邊-邊接觸。塊體間的邊-邊接觸可分解為由兩個角-邊接觸而成，并且隨著單元的平移和轉動，允許調整各個單元之間的接觸關系，最終塊體單元可能達到平衡狀態，也可能一直運動下去。

離散單元法可以對由不同塊體構成的整體進行應力、應變的分析計算，各不同塊體之間通過接觸點的耦合作用實現連接。目前許多類型的巖體，在構造弱面的強度和剛度都不及巖石本身，基于這點來看，為了排除更多具有不確定性（自由度）的研究對象，一般都將各不同巖石塊體假設為剛性，則各接觸點或接觸面發生的變形就是決定結構位移總量的主要因素。此時所采用的研究對象通常被認定是不同離散塊體的堆砌，但是如果參照位移與力的關系式來解析塊體之間的相互作用力，會發現單個塊體的運動狀態與牛頓運動定律是一致的，也就是說力與力矩相互平衡。構建數值分析模型時，應該注意平衡方程、變形協調方程以及本構方程的解算要求，同時還要兼顧一些邊界條件。嚴格來講，離散元塊體之間不存在相互的約束關系，彼此之間沒有變形協調的約束作用，從這點來看，構建數值分析模型時只需考慮物理方程和運動方程的約束條件即可。

2 模擬方案設計

采用離散元數值軟件UDEC，基于摩爾-庫倫準則為屈服條件，建立二維離散元數值模型。分析公路隧道Ⅴ級圍巖情況下，不同噴射混凝土層厚度對圍巖的支護效果，建立統一的數值模型尺寸和形狀。選取噴層厚度作為變量，進行數據分析處理，研究噴射混凝土厚度的支護效果差異，從而確定最優的噴層厚度[1-4]。

隧道斷面采用三心圓，尺寸采用四車道的標準設計路基寬為12.25m，R1=6.5m，R2=5.5m。依據JTG D70-2004《公路隧道設計規范》，Ⅴ級隧道圍巖物理力學參數的經驗取值如表1所示。

噴射混凝土采用C25混凝土，參數取值如表2所示。

建立數值模型計算時主要考慮該范圍內的圍巖體，具體為隧道上部覆蓋圍巖體厚度取3倍四車道跨度，約43m，左右兩邊巖體厚度取4倍隧道跨度約55m，底部掩體厚度取3倍隧道跨度。按照上述設計尺寸，并在參考地質概況的基礎上，添加傾角為45°的巖層節理面，劃分網格，按照1：1比例尺寸建立模型。

施加邊界條件，限制左右兩側水平方向位移為0，固定底邊即水平和豎向位移均為0，在上邊界均布施加豎直方向1.0e7N荷載，左右邊界施加均布水平荷載1.5e7N，從而模擬地應力。

選定某一級別圍巖及對應巖體節理，賦值于數值模型內，再正式開挖并施作支護結構，結合圍巖級別的限制條件，在操作過程中需要對巖體參數進行適當調整，比如巖體密度、內摩擦角、粘聚力及彈性模量等，并更換和級別對應的巖體節理參數，包括徑向剛度、剪切剛度、粘結強度、抗拉強度、內摩擦角等參數。進行計算結果的全部匯總分析處理，最后給出噴射混凝土襯砌最優厚度。

3 數值結果分析

3.1 開挖未支護

對Ⅴ級圍巖進行開挖不支護，得到平衡后的塊體單元情況如圖1所示。

由圖1可以看出，在Ⅴ級圍巖條件下，如果隧道開挖后不及時進行有效的初期支護，圍巖會出現塌方大變形災害，大量塊體掉落。

由圖2可知，隧道幾乎全部坍塌，最大Y方向位移達到了6m。

圖3為隧道開挖未支護的塑性區，從圖中可以看出，隧道開挖上部出現大量的軟弱屈服面破壞，并且在拱頂出現拉伸破壞現象，圍巖整體穩定性極差。

3.2 錨噴支護+鋼筋網+鋼架（噴層15cm）

對Ⅴ級圍巖開挖后，進行聯合支護，主要有錨桿、鋼筋網、鋼拱架和噴射混凝土，噴層厚度為15cm，得到平衡后塊體單元情況如圖4所示。

由圖4可知，進行聯合支護后，不再出現掉塊及塌方現象。

由圖5可知，在聯合支護（15cm）作用下，隧道開挖后拱頂的最大沉降值（Y方向位移最大值）為20cm。

由圖6可以看出，聯合支護（15cm）作用下，模型仍出現了較多的軟弱屈服面（246個）和少量拉伸破壞單元塊體（15個），尤其集中在開挖隧道附近圍巖附近，極大地影響了隧道圍巖的穩定性。

3.3 錨噴支護+鋼筋網+鋼架（噴層25cm）

從圖7和圖8可知，聯合支護（25cm）很好地控制了圍巖體的變形，尤其是隧道開挖周邊圍巖體的變形。隧道拱頂最大沉降位移為4.5cm，相比于聯合支護（15cm）的20cm，支護作用提升明顯。

從圖9也可以看出，聯合支護（25cm）后，整個圍巖體穩定性較好，只出現了22個軟弱屈服面，沒有出現拉伸破壞現象，整體支護效果很好。

4 結論

噴射混凝土技術是圍巖支護的重要手段，由數值模擬結果可知，對于公路隧道Ⅴ級圍巖，應采用錨桿、鋼筋網、鋼拱架和噴射混凝土聯合進行支護，且噴層為25cm時，效果最好。

參考文獻：

[1]王文政.公路雙連拱隧道開挖方法及施工過程數值模擬研究[D].長安大學，2003.

[2]薛光橋.基于數值模擬和監測監控的隧道圍巖穩定性判定方法的研究[D].武漢理工大學，2005.

[3]華薇.公路隧道開挖圍巖穩定性數值模擬研究[D].吉林大學，2007.

[4]宋麗霞，陶干強，王清良.隧道圍巖穩定性數值模擬研究現狀與發展方向[J].礦業快報，2007，23（6）：16-20.