富水強風化巖區域隧道支護優化數值模擬

黨 丁 李 暾

中交第一公路勘察設計研究院有限公司

1 引言

近些年來，我國公路隧道在山嶺區域越建越多，通常考慮到道路的線性要求，大部分隧道的隧址區通常無法避免危險區域，例如富水強風化巖區域。隧道穿越富水強風化巖區域時，容易失穩，會出現初期支護變形大，局部變形等問題。根據施工現場監測，洞內外觀測分析其原因，一方面時圍巖本身物理性質，較為破碎，表現為摩擦角大，粘聚力小，二是圍巖遇水軟化，容易失穩，自身承載能力降低，及其依賴初期支護與二次襯砌的承載能力[1]。另外施工過程中過多的擾動對于圍巖的穩定性容易造成影響，尤其是CRD法開挖，以及過多、過長的系統錨桿打設，增加了機械施工對圍巖的擾動時間。通過文獻綜述總結可知：國內很多松散地層例如砂卵石地層的施工開始注重施工期間的擾動，在必要時，不施作系統錨桿。富水強風化巖區域容易失穩，對于施工的擾動十分敏感，結合以往工程實例分析可知，富水強風化巖區域常見工程災害，有圍巖失穩，襯砌破損、洞口坍塌等。引發這些工程災害最常見的因素就是水和斷裂帶，這兩者在富水強風化巖區域較為常見，這給隧道施工帶來極大的不利。本文依托黃江1號隧道，根據隧道建設經驗，對隧道的支護結構提出優化措施，取消系統錨桿，增加鎖腳錨桿，并對隧道壁后空洞進行注漿增加圍巖的穩定性。由于工程已經結束，通過有限元法進行模擬，所得結論以期為隧道支護修正，經驗積累提供參考。

2 工程概況

黃江1號隧道位于位于廣東省河源市龍川縣黃布鎮松陽村附近，左線隧道長550m，右線隧道長560m，為中隧道。分離雙洞，測設線間距約21.8m～29.5m。該隧道區屬丘陵地貌，區內地表水系稍發育,地表水主要為大氣降水形成的地表面流，地表徑流條件較好，隧道進、出口位于斜坡上，分布標高較高，均有溝谷通過，匯水面積大，水量多。隧道建設過程中，掌子面時常滲水，圍巖收斂速度隨著下臺階、仰拱施作會有小幅度的增加。

3 初期支護優化措施

3.1 錨桿優化

錨桿的作用傳統的認為是加固壓縮圍巖、懸吊作用，組合梁作用，但是對于破碎的強風化巖巖體，錨桿不但難以起到作用，過多的擾動還會導致巖體破裂，隧道原設計系統錨桿在兩側邊墻打入自進式錨桿，但由于錨桿打入深度不足，效果不佳，取消系統錨桿。鎖腳錨桿支撐鋼架，不可取消也無法代替，考慮到圍巖初期壓力較大以及錨桿打入效果較差甚至失效等問題，或是將原設計鎖腳錨桿3.6m，單組設置，改為鎖腳錨桿1.8m，同一位置設置兩組。

3.2 壁后注漿

對于圍巖的松散結構，有的地方不連續，壁后空洞形成后會逐漸向上移動，圍巖的運動會導致承載能力的下降，甚至是發生小型坍塌，根據圍巖監測所表現的初期支護收斂速度曲線來看，在小段時間內速度存在突然增大的現象。除了測量誤差之外，更多的是圍巖的擾動。因此在支護結構環向每隔1.5m預留一注漿管，在下部臺階施工完后進行上一臺階的注漿工作，確保初期支護背后連續完整。

4 有限元法數值模型

采用有限元軟件MIDAS建立隧道通過富水強風化巖地層數值模型。圍巖區域尺寸選取長×高為45m×40m，圍巖分為3個地層，各層深度依次為雜填土7m、粉質細土10m、強風化巖23m，采用摩爾-庫倫本構。隧道凈高隧道建筑限界凈高4.8m，凈寬12.4m。隧道初期支護厚度28cm（C25噴射混凝土）、二次襯砌厚度60cm（C35 鋼筋混凝土）均采用板單元模擬，彈性本構。鎖腳錨桿采用Φ51 自進式中空注漿錨桿；考慮到注漿錨桿注漿對圍巖的加固作用，注漿錨桿加固區域成一個小管棚式的加固區，加固區中包含注漿錨桿，錨桿類采用植入式桁架單元模擬，彈性本構，路基及仰拱厚度2.4m采用摩爾-庫倫本構。模型2是初支優化模型，取消系統錨桿，增加鎖腳錨桿，建立等效加固區。模型邊界條件采用自由約束，即位移邊界條件，荷載為自重荷載。模型參數根據現場測試所得數據以及JTG/TD 70—2010《公路隧道設計細則》選取。

圖1 有限元模型及參數

5 計算結果分析

隧道開挖方法為三臺階預留核心土法，通過初期支護優化，工程造價減小了。通過有限元結果分析判斷是否會對隧道質量造成影響。由于計算后，云圖結果過多，不一一進行展示，僅對其結果進行描述。從模型豎向位移結果分析，模型總體沉降最大值處于拱頂的位置處，原設計模型沉降最大值29.2mm,支護優化模型沉降值為21.58mm，僅為原模型沉降值的73.82%；從模型橫向位移結果分析，模型橫向位移最大值處于拱腰位置，呈收斂趨勢，原設計周邊收斂最大值約為12.10mm，支護優化模型周邊收斂最大值約為8.69mm，僅為原模型周邊收斂值的71.82%。從數值模擬的結論來看，對于富水強風化巖，鎖腳錨桿以及注漿加固效果優于系統錨桿的加固效果。模型的模擬無法體現施工的擾動，在實際工程中，系統錨桿的打設對于圍巖的擾動遠遠大于鎖腳錨桿和注漿區域的施作。因此可以判斷對初期支護進行優化后，不僅節省了工程造價，對于工程的穩定有益。

在取消系統錨桿后，觀察鎖腳錨桿的受力情況可知：原設計模型鎖腳錨桿軸力受壓為主，上臺階鎖腳錨桿軸力相對于中臺階、下臺階的更大。原設計模型鎖腳錨桿軸力最大值為2719kN，取消系統錨桿后，初支優化模型鎖腳錨桿軸力減少至2367kN，錨桿軸力為原設計的87.1%。原來錨桿一組為2 根，支護優化后，鎖腳錨桿為兩組，但總長度不變，從數值模擬結果可以推測初支優化后鎖腳錨桿的有效錨固長度增加了。另外錨桿打設過程可能存在錨固失效等情況。設置多組錨桿，如果有某根錨桿失效后，另外的錨桿可以承擔壓力。多組鎖腳錨桿的設置方式有利于防止單根鎖腳錨桿失效后，鎖腳錨桿失去其本身的加固作用。

壁后注漿能夠改善圍巖狀況，減少空洞現象，這一點是有限元軟件無法體現的優勢，但是壁后注漿對于圍巖的加固作用，有限元軟件可以體現。在初期支護兩側建立了等效加固區模擬施工過程中的注漿作用。初期支護結構受力最大處為拱腰區域，在對拱腰區域進行加固后，拱腰區域受力仍然最大，表現為受壓，這和公路隧道設計的線型相關。原設計模型初支軸力最大值為637kN，在進行初支優化后模型初支軸力最大值為531kN，僅為原設計模型的83.4%。壁后注漿改善了初期支護受力狀況，減小了初期支護上承受的內力，有利于圍巖的穩定性。該隧道的工況決定了初期支護最大內力位于拱腰及拱腳位置，對于兩側的壁后注漿是極為必要的。

從原模型二次襯砌應力分析結果來看，隧道拱頂部位表現為拉應力，應力最大值為7.88kPa，隧道拱腰位置表現為壓應力，應力最大值為111.3kPa；通過初支優化設計后，隧道拱頂部位表現為拉應力，應力最大值為6.91kPa，隧道拱腰位置表現為壓應力，應力最大值為111.5kPa；拉應力有所減小，考慮到本依托工程原設計的合理性，初期支護優化后，二襯作為安全儲備，安全性能仍然較高。

6 結束語

在對隧道進行施工后，根據監控量測結果所反映出來的問題，對支護結構進行優化設計。通過有限元數值模擬分析可以得知，對支護結構優化后，在富水強風化巖區域修建隧道沉降值減小至原來的73.82%。鎖腳錨桿受力減小，可見總有效錨固長度增加了。初期支護所承受軸力僅為原來的的83.4%。初期支護優化方案更有利于隧道穩定，同時造價更少。

對于系統錨桿的取消，減小鎖腳錨桿長度，增加鎖腳錨桿數量并對圍巖背后進行注漿加固通過數值模擬的分析對隧道結構不會造成不良影響。但對于系統錨桿取消這一點建議通過實驗等方式，進行驗證，在今后的隧道建設中對結果進行驗證。