紅層隧道初期支護結構優化研究

代超龍， 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

大量紅層地區高等級公路建設實踐表明[1-4]，紅層地區公路隧道修建程中會誘發規模較大的滑坡、崩塌、滲水、軟化蠕變、隧道圍巖變形坍塌破壞等各類災害。

針對紅層大跨度隧道的特點[5]，鄭昳采用數值模擬與現場實測相結合的方法，研究得出CRD可以滿足隧道圍巖穩定性要求。陳國忠[6]等從隧道施工圍巖的變形、塑性區分布規律、初期支護結構的受力特點等方面研究CRD的合理施工工序。劉明[7]等利用隧道實時監測的圍巖拱頂下沉和周邊收斂數據，研究了紅層隧道圍巖的穩定狀況、變形規律以及二襯支護時機。

本文依據達萬高速公路天坪隧道工程實際情況，確定紅層典型結構構造特征，采取塊體離散元方法研究不同地質條件的支護結構受力情況，優化支護結構，提出支護參數與支護原則，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

以達萬(達州～萬州)高速公路天坪寨隧道S5-1DM06標段為依托，通過對天坪寨隧道隧址區調研，發現在整個洞身段，結構面不甚發育，主要結構面以原生層面和構造節理為主。區內出露巖性眾多，節理裂隙發育，地勘報告顯示，其主要發育3組(主控節理2組)，包括：①J1組：產狀0～35 °∠55～77 °，間距0.2～0.5m不等，為區內主控節理之一；②J2組：產狀190～230 °∠59～80 °，間距0.20～0.70m不等；③J3組：產狀40～65 °∠60～80 °，間距0.50～1.00m不等，可見延伸長度1～4m；微張～張開，面較平直，局部泥質充填。

2 數值模型

2.1 計算模型與參數

以天坪寨隧道S5-1DM06段為實際工程背景，結合達州至萬州高速公路天坪寨隧道Ⅴ型襯砌斷面設計圖如圖1所示。

圖1 Ⅴ型襯砌斷面設計

計算中所采用的巖體模型、巖塊節理參數和構造實測應力場參數見表1和表2。其中，錨桿間距縱×橫0.8m×1.0m，φ22藥卷錨桿長度3.0m，密度7 857kg/m3，彈性模量取210GPa，屈服拉力為180kN。初期襯砌為C20噴射防腐蝕混凝土，初期襯砌24cm厚，計算所用的襯砌力學參數見表1，節理計算參數見表2。

表1 圍巖及初期襯砌計算參數

表2 節理計算參數

天坪寨隧道計算埋深573m，跨徑為12m，模型寬度108m，仰拱距下邊界約36m，拱頂距上邊界約48m。模型上邊界施加上覆巖層壓力，左右邊界約束水平位移，下邊界約束其豎向位移(圖2)。

圖2 計算模型(0°傾角節理)

2.2 計算工況

如表3所示，在自重應力場中，全斷面開挖，除節理傾角以30 °遞增變化外，各計算模型其他計算參數相同。以此來探討不同節理傾角對隧道圍巖變形的影響。

表3 計算工況表

3 計算結果分析

運用離散元軟件UDEC，計算在各傾角節理地層中全斷面開挖隧道，應力釋放20 %后打設錨桿、噴射混凝土，其初期支護受力計算分析如下。

3.1 錨桿受力分析

錨桿軸力和沿桿長方向剪力計算結果如圖3～圖6所示(僅列出節理傾角為0 °與60 °計算結果)。

圖3 水平巖層錨桿軸力(單位：N)

圖4 60°傾斜巖層錨桿軸力(單位：N)

圖5 水平巖層錨桿剪力(單位：N)

圖6 60°傾斜巖層錨桿剪力(單位：N)

取最接近實際的60 °傾角巖層隧道分析各根錨桿軸力和沿桿長方向剪力最大值統計見圖7。

圖7 60°傾角各錨桿軸力和沿桿長方向剪力最大值統計

從圖7中可以看出：最大錨桿軸力都發生在右拱腳處的4#錨桿，其值為65.33kN；最大錨桿沿桿長方向剪力都發生在右拱腳處的3#錨桿，其值分別21.52kN，由此可以看出對于層狀傾角偏壓隧道，拱腳處錨桿對改善拱腳處圍巖受力狀況和控制拱腳收斂的作用很明顯。

3.2 襯砌受力分析

襯砌軸力和彎矩計算結果如圖8、圖9所示(僅列出0 °與60 °)。

(a)水平巖層

(b)60°巖層圖8 襯砌軸力(單位：N)

(a)水平巖層

(b)60°巖層圖9 襯砌彎矩(單位：N·m)

由計算結果可知：水平巖層隧道其軸力彎矩左右對稱且都不大；在傾斜偏壓隧道中，特別是在60 °傾角節理地質偏壓的隧道中，相對于右拱肩和右拱腰，左拱肩和左拱腰處的襯砌軸力和彎矩都較大；最大襯砌軸力發生在左拱腰處，其值為321.8kN；最大襯砌彎矩也發生在左拱腰處，其值為75.77kN·m，因此建議加強襯砌左側的設計參數。

3.3 支護結構優化

(1)在偏壓隧道中，兩側拱腳墻腳和左側拱肩的錨桿軸力剪力相對較大，拱部和右拱腰的錨桿軸力剪力相對較小。

(2)相對于右拱肩和右拱腰，左拱肩和左拱腰處的初期襯砌和圍巖之間的法向接觸壓力、襯砌軸力和彎矩都較大；圍巖與初期襯砌之間最大法向接觸壓力、襯砌最大軸力和最大彎矩都發生在左拱腰處，因此建議加強襯砌左側的設計參數。

(3)初期支護結構采取不對稱設計之后，隧道結構只是在施工過程中的局部受力較不利，但是對結構的整體穩定性不會造成傷害；而且采用不對稱支護結構設計之后，采取恰當的施工步驟可以使其受力優于對稱機構受力。即對受力較好的一側適當減弱支護，受力較不利的一側適當增強支護，既能滿足結構受力，又能達到更好的經濟適用性。

4 結論

本文主要研究支護結構受力特征及優化，并對其安全性進行評價，得到以下結論：

(1)兩側拱腳墻腳和左側拱肩的錨桿軸力剪力相對較大，拱部和右拱腰的錨桿軸力剪力相對較小。對于節理傾角60 °，拱部和右拱肩處的錨桿穿越結構面和巖層較少，而兩側拱腳墻腳和左側拱肩處的錨桿穿越的結構面和巖層較多，故兩側拱腳墻腳和左側拱肩處的錨桿將承受更多由節理錯動變形引發的錨桿軸力和剪力。各錨桿沿長度方向軸力剪力分布并不均勻，有的軸力剪力最大值發生在距洞壁約1/3錨桿長度處，有的在約2/3錨桿長度處，有的在錨桿中部。最大錨桿軸力剪力都發生在右拱腳處的錨桿。

(2)在60 °傾角節理地質偏壓的隧道中，相對于右拱肩和右拱腰，左拱肩和左拱腰處的初期襯砌和圍巖之間的法向接觸壓力、襯砌軸力和彎矩都較大；圍巖與初期襯砌之間最大法向接觸壓力、襯砌最大軸力和最大彎矩都發生在左拱腰處，因此建議加強襯砌左側的設計參數。

(3)初期支護結構采取不對稱設計之后，隧道結構只是在施工過程中的局部受力較不利，但是對結構的整體穩定性不會造成傷害，對受力較好的一側適當減弱支護，受力較不利的一側適當增強支護，既能滿足結構受力，又能達到更好的經濟適用性。