不同支護條件下的圍巖穩定性數值分析

張龍生 俞文生 周小勇 朱 林 張露晨

(1.江西交通咨詢公司，江西 南昌 330000;2.江西省高速公路投資集團有限責任公司，江西 南昌 330000; 3.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061)

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不同支護條件下的圍巖穩定性數值分析

張龍生1俞文生2周小勇1朱 林3張露晨3

(1.江西交通咨詢公司，江西 南昌 330000;2.江西省高速公路投資集團有限責任公司，江西 南昌 330000; 3.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061)

采用有限差分軟件FLAC3D，以摩爾—庫侖準則為屈服條件，建立了二維有限差分數值模型，對比分析不同圍巖級別情況下，初期支護噴射混凝土厚度對不同級別圍巖的支護作用效果，從而選出不同圍巖級別下適宜的噴射混凝土厚度。

圍巖，混凝土，數值模型，錨桿

0 引言

隨著我國各項基礎設施建設力度的不斷加大，我國的地下工程尤其是各類隧道的建設工程也正如火如荼的展開，我國正在修建的隧道、洞室及地下工程的建設規模和速度已經是世界第一，我國已然成為全球隧道工程最多、最復雜、發展速度最快的國家[1]。

在這種大的建設背景下，傳統的隧道襯砌支護設計采用的經驗類比法愈發不能滿足隧道建設發展的要求，越來越多的設計單位和工程師開始采用數值模擬方法來設計隧道的支護方案[2-8]。本文采用有限差分軟件FLAC3D，基于摩爾—庫侖準則為屈服條件，建立二維有限差分數值模型。為了對比分析不同圍巖級別情況下(主要選擇Ⅳ級和Ⅴ級圍巖)，作為初期支護噴射混凝土厚度對不同級別圍巖的支護作用效果，建立統一的數值模型尺寸和形狀。選取圍巖級別和噴混厚度作為變量，進行數據分析處理，研究初期支護中噴射混凝土厚度的支護效果差異，從而選出不同圍巖級別下最優的噴射混凝土厚度，為公路隧道建設中噴射混凝土的施工設計提供科學的依據和參考。

1 數值模擬方案設計

1.1 斷面選取依據

數值模擬中的隧道具體斷面形狀和尺寸，參考JTG D70—2004公路隧道設計規范，依據兩車道標準內輪廓圖(如圖1所示)進行適當簡化，簡化后的斷面形式如圖2所示。

1.2 圍巖級別參數選取

本文的數值模擬主要針對公路隧道中的Ⅳ級、Ⅴ級圍巖，參數主要依據JTG D70—2004公路隧道設計規范中對各級圍巖物理力學參數的經驗取值，并可以根據具體工程實際情況進行適當修改。

1.3 噴射混凝土材料參數選取

噴射混凝土材料，選用隧道建設實際工程中的經驗取值，其具體物理力學參數見表1。模擬中使用的錨桿、鋼筋網及鋼架單元結構，其參數均采用JTG D70—2004公路隧道設計規范中的建議取值。鋼筋網及鋼架參數均按照《公路隧道設計規范》中要求的鋼筋間距及直徑要求，等效化成鋼筋混凝土參數，在噴射混凝土參數進行一定的等效代換。

表1 噴射混凝土材料參數取值

由于噴射混凝土的收縮，若其厚度小于50 mm，噴層中粗集料的含量甚少，容易引起收縮開裂。同時噴層過薄也不足抵抗巖塊的移動，常出現局部開裂和剝落。近年來，國內對噴射混凝土支護作用情況進行了調查，噴射混凝土支護的厚度不應小于50 mm。同時為了發揮圍巖的自撐作用，要求噴層具有一定的柔性，施工時要求分幾次噴射達到設計厚度。對于三車道以上的大斷面隧道，噴混凝土層相對柔性大，噴射混凝土厚度可以適當加大，但不宜大于300 mm。對于Ⅳ，Ⅴ級不穩定的圍巖，一般須設計鋼架支護。

2 數值模擬方案描述

第一步：隧道開挖后，3倍～5倍洞徑范圍為開挖影響范圍，該范圍內的巖體成為圍巖體，應力將產生重分布。因此，在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倍隧道跨度，約36 m，左右兩邊巖體厚度取4倍隧道跨度，約48 m，底部巖體厚度取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劃分網格，按照1∶1比例尺寸建立模型。

第二步：施加邊界條件，限制左右兩側水平方向位移為0，固定底邊的水平和豎向位移均為0，隧道埋深100 m，在上邊界均布施加豎直方向荷載T1=ρgh，其中,ρ為巖體的密度；h=64；豎直方向漸變系數為ρg。側壓系數為1.2，故在左右邊界施加水平荷載T2=1.2T1，水平方向漸變系數為1.2ρg，從而模擬地應力。

第三步：選定某一級別圍巖，將其相關參數賦值于數值模型內，然后進行開挖，支護。模擬研究設計規范要求范圍內的可能初期支護襯砌層厚度對圍巖的支護作用，給出數據分析及相關的數據云圖展示，包括模型整體Z方向的位移，模型Z方向的應力等云圖。然后整理分析特定圍巖級別下不同噴射混凝土層厚度對圍巖支護作用的影響，進行優選，確定最優厚度。

第四步：針對不同圍巖級別，調整對應的巖體參數，包括巖體密度、內摩擦角、粘聚力、體積模量以及彈性模量等，重復第二步。

第五步：進行計算結果的全部匯總分析處理，通過圖表及力學參數結果的對比分析，對噴射混凝土襯砌層對圍巖支護作用的影響進行定性的認識，最后給出噴射混凝土襯砌與圍巖相互作用的穩定性評價。

3 模擬結果及分析

由于Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級圍巖自穩能力強，基本不需要太多支護，一般均進行錨桿加噴射混凝土，噴層的厚度不超過12 cm，錨桿一般為隨機錨桿。因此，主要研究Ⅳ級和Ⅴ級圍巖的支護。

3.1 Ⅳ級圍巖

本文模擬時設定Ⅳ級圍巖的開挖方法為上下臺階法。在Ⅳ級圍巖條件下，圍巖不能自穩，需要進行支護。

1)25 cm噴層支護。

圖3顯示下半斷面開挖之后，雖然及時進行支護，但圍巖的位移仍然在持續增加，最后拱頂最大沉降約為8.55 cm，并且破壞區域也在不斷擴大。由此可知，單獨的噴混層支護在四級圍巖條件下無法滿足安全施工的要求，需要采用鋼架和鋼筋網或錨噴+鋼筋網+鋼架的聯合支護。

2)25 cm錨噴支護+鋼筋網+鋼架。

如圖4和圖5所示，開挖下半斷面，并及時進行支護，拱頂最大沉降約為2.02 cm，塑性區明顯減小，相比只有噴層，支護效果有明顯的提升。

3.2 Ⅴ級圍巖

1)25 cm錨噴支護+鋼筋網+鋼架。

如圖6和圖7所示，采用25 cm的聯合支護形式后，拱頂沉降約為4.35 cm，塑性區小，圍巖的穩定性較好，基本滿足安全施工要求。

2)30 cm錨噴支護+鋼筋網+鋼架。

如圖8和圖9所示，與25 cm的聯合支護手段相比，30 cm的聯合支護方式進一步控制了圍巖變形，拱頂最大沉降由4.35 cm下降到3.27 cm，塑性區域進一步減小，整個圍巖體受力情況也進一步變好。但從支護效果來看，變化不是很明顯，因此一般采用25 cm聯合支護即可，在大變形、大流變情況下，建議采用30 cm聯合支護情況。

4 結論與建議

根據上述數值模擬結果，結合規范中對隧道最大允許沉降值的要求，可得到如下結論：

1)在Ⅳ級圍巖條件下，推薦采用25 cm的錨噴+鋼筋網+鋼架的聯合支護方式，能夠較好地保證圍巖體的整體穩定性，滿足隧道建設的安全施工要求。

2)在Ⅴ級圍巖條件下，一般可以優先采用25 cm的錨噴+鋼筋網+鋼架的聯合支護方式，但如果圍巖狀況較差，變形較大，可以改為30 cm的錨噴+鋼筋網+鋼架的聯合支護方式。

[1] 朱成豪.復雜條件下高速公路隧道施工期洞周位移控制基準研究[D].成都：西南交通大學,2011.

[2] 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].西安：長安大學碩士學位論文,2003.

[3] 李貽偉.巖溶公路隧道圍巖—支護結構受力特性數值模擬分析[D].重慶：重慶交通大學,2010.

[4] 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：武漢理工大學,2005.

[5] 華 薇.公路隧道開挖圍巖穩定性數值模擬研究[D].長春：吉林大學,2007.

[6] 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.

[7] 周雪銘,劉 輝,彭 川,等.巖溶隧道開挖對溶洞處治結構影響的數值模擬分析[J].巖土力學,2011,32(1):269-275.

[8] 韓 威.公路隧道初期支護對圍巖穩定性影響數值模擬研究[D].長春：吉林大學,2008.

Numerical analysis of surrounding rock stability under different supporting conditions

Zhang Longsheng1Yu Wensheng2Zhou Xiaoyong1Zhu Lin3Zhang Luchen3

(1.JiangxiTransportConsultationCompany，Nanchang330000，China;2.JiangxiProvincialExpresswayInvestmentGroupCo.，Ltd，Nanchang330000，China;3.Geotechnical&StructuralEngineeringResearchCenter，ShandongUniversity，Jinan250061，China)

In this paper, the finite difference software FLAC3Dis used to establish a two-dimensional finite difference numerical model with Mohr-Coulomb criterion as the yield condition. In order to compare and analyze the effect of the thickness of the shotcrete on the support of different levels of surrounding rock, so as to select the appropriate shotcrete thickness under different surrounding rock level.

surrounding rock, concrete, numerical model, bolt

1009-6825(2016)30-0165-03

2016-08-13

張龍生(1966- )，男，高級工程師； 俞文生(1976- )，男，教授級高級工程師； 周小勇(1975- )，男，高級工程師； 朱 林(1992- )，男，在讀碩士； 張露晨(1988- )，男，在讀博士

U451.2

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