地應力對主動承載層承載系數選擇的影響

□汪宏兵 梅樹強 王 堅

（浙江省隧道工程集團有限公司）

1 引 言

地應力不僅是復雜地質構造產生的原因，同時也對隧洞、巷道等施工過程中圍巖穩定性產生重要的影響，尤其是軟巖、深埋等地質條件下，由于圍巖力學性質弱以及地應力高，往往會導致圍巖產生較大的變形破壞，帶來較大的經濟損失和安全隱患，因此許多學者圍繞地應力進行了大量研究。郭小龍，譚忠盛，李磊，等對比分析高應力軟巖條件下，早強錨桿與普通錨桿作用特征分析，得出早強錨桿較普通錨桿有更強的錨桿軸力，提高了圍巖分布均勻程度，進一步抑制了層狀巖層破壞，對高應力軟巖起到了很好的控制效果。李微對地應力成因、規律以及不同的地應力下隧道斷面變形差異進行分析，指出深部隧道的支護應著重于阻止圍巖流變造成隧道斷面不斷縮小；劉立民，張進鵬分析了普通U型鋼可縮性支架與所設計封閉型U型鋼可縮性支架特點及其在不同地應力條件下位移等變化，得出封閉型U 型鋼可縮性支架較普通U 型鋼可縮性支架支撐效果較優；針對高應力圍巖大變形問題，黃寶田，陳東印提出高強讓壓錨桿支護方案，結果表明支護效果佳且節省了成本；李為騰，李術才，玄超，等通過對高應力軟巖變形破壞特征以及支護失效機理的研究，提出方形鋼管約束混凝土拱架支護，起到較好的圍巖控制效果；壽寶平，任禹分析不同支護強度下深部高應力巷道圍巖應力、位移分布特征，得出高地應力巷道圍巖變形屬于給定變形，支護體應要滿足做夠支護強度以及適應大變形的要求；秦忠誠，秦瓊杰，陳文龍，等通過對讓壓技術機理分析，在工程中進行現場試驗，得出讓壓支護技術大大減少了錨桿在高應力條件下的拉斷失效，有效地控制了巷道圍巖變形。

為研究甘肅省引洮供水二期工程主體工程施工第7 標段1#片麻巖隧洞不同地應力條件下，錨桿支護構建主動承載層承載系數的適配，文章采用數值模擬軟件FLAC3D，以側壓系數模擬地應力，分析不同側壓系數所適配的主動承載層承載系數。

2 主動承載層及其承載系數概述

甘肅省引洮供水二期工程主體工程施工第7 標段1#隧洞在施工片麻巖地段時，如圖1 隧洞開挖后圍巖分層所示，由于片麻巖自身具有的裂隙發育，自穩能力弱，完整性差的特征，又經過經過地應力及地下水的相互作用下，隧洞圍巖表面會形成一層破碎區，區域內承載能力差，裂隙發育程度高，松散破碎，無法形成穩定的承載結構；隨著裂隙向深部轉移，其發育程度逐漸降低，圍巖整體性相對較好，巖層結構破壞不多，有一定的承載能力；深部原巖區受掘進影響不大，圍巖結構與原巖幾乎一致，承載能力高，完整性好。

采用錨桿支護則可以有利于破碎區形成穩定的承載結構，從而維持圍巖的穩定。如圖2支護后圍巖分層所示，錨桿支護通過錨桿和錨固區域的巖體相互作用形成統一的承載結構，提高了承載結構力學參數與性能，減小隧洞周圍破碎區、塑性區的范圍和隧洞的表面位移，控制圍巖破碎區、塑形區的發展、從而有利于保持隧洞圍巖的穩定，當其預緊力達到一定程度時，能在圍巖中形成主動承載層，約束深部巖體的位移和破裂，提高錨固巖層的殘余承載能力，有效地控制圍巖的變形。為了更為精確劃分主動承載層的承載能力，引用承載系數即主動承載層內應力與原巖應力的百分比來量化主動承載層的承載能力，其中高承載系數主動承載層的承載系數范圍為≥25%，中等承載系數主動承載層的承載系數范圍為18%～25%，低承載系數主動承載層的承載系數范圍為≤18%。考慮到地應力對于圍巖承載結構的重要影響，基于以上概述分析不同地應力條件下，片麻巖構建主動承載所適配的承載系數。

圖1 隧洞開挖后圍巖分層圖

圖2 支護后圍巖分層圖

3 不同地應力條件下主動承載層承載系數選擇

為了研究不同等級主動承載層對各種地應力條件的適應性，以數值模擬軟件構FLAC3D建數值計算模型，模型總厚度20 m。模型兩側邊界及前后邊界均施加水平位移約束，底部邊界施加垂直位移約束，上部邊界施加均布載荷，模型中設定隧洞埋深為100 m，通過改變側壓系數來模擬不同的地應力條件，側壓系數分別取1.0、1.5、2.0。片麻巖力學參數見表1。

表1 片麻巖力學參數表

3.1 側壓系數1.0應力條件

側壓系數1.0應力條件下，模擬不同承載系數下主動承載層厚度與應力變化，得到圖3側壓系數1.50地應力時不同承載系數下主動承載層應力云圖，由圖可知：在側壓系數為1.00的低地應力條件下，三種承載系數的主動承載層都能夠產生在一定范圍內產生連續有效的壓應力區域維護隧洞圍巖的穩定性。高承載系數主動承載層的厚度為2.20 m，最大壓應力為3.30 MPa；中等承載系數主動承載層的厚度為2.00 m，最大壓應力為2.60 MPa；低承載系數主動承載層的厚度為2.00 m，最大壓應力為2.40 MPa。在這種低地應力條件下，高承載系數主動承載層的厚度和壓應力等級最高，隨著主動承載層承載系數的降低主動承載層的厚度和壓應力等級有一定下降，但下降的程度不大，因此這三個承載系數的主動承載層均可運用于側壓系數為1.0低地應力條件。綜合考慮到施工進度，經濟效益等問題，建議在側壓系數為1.0低地應力條件下使用低承載系數主動承載層用于維護片麻巖隧洞的圍巖穩定。

圖3 側壓系數1.0應力時不同承載系數下主動承載層應力云圖

3.2 側壓系數1.5應力條件

側壓系數1.5應力條件下，模擬不同承載系數下主動承載層厚度與應力變化，得到圖4 側壓系數1.5 應力時不同承載系數下主動承載層應力云圖，由圖可知：在側壓系數為1.5中地應力條件下，高承載系數和中等承載系數的主動承載層能夠產生在一定范圍內產生連續有效的壓應力區域維護隧洞圍巖的穩定性。高承載系數主動承載層的厚度為2.00 m，最大壓應力為3.00 MPa；中等承載系數主動承載層的厚度為1.80 m，最大壓應力為2.40 MPa。在這種中地應力條件下，高承載系數主動承載層的厚度和壓應力等級最高，隨著主動承載層等級的降低主動承載層的厚度和壓應力等級有一定下降，下降至低承載系數時無法形成主動承載層，因此這三個承載系數的主動承載層只有高承載系數和中等承載系數的主動承載層可運用于側壓系數為1.5的中地應力條件。綜合考慮到施工進度，經濟效益等問題，建議在側壓系數為1.5的中地應力條件下使用中等承載系數主動承載層用于維護片麻巖隧洞的圍巖穩定。

圖4 側壓系數1.5地應力時不同承載系數下主動承載層應力云圖

3.3 側壓系數2.0地應力條件

側壓系數2.0地應力條件下，模擬不同承載系數下主動承載層厚度與應力變化，得到圖5 側壓系數2.0 地應力時不同承載系數下主動承載層應力云圖，由圖可知：在側壓系數為2.0的高地應力條件下，高承載系數的主動承載層能夠產生在一定范圍內產生連續有效的壓應力區域維護隧洞圍巖的穩定性。高承載系數主動承載層的厚度為2.00 m，最大壓應力為2.80 MPa。在這種中地應力條件下，高承載系數主動承載層的厚度和壓應力等級最高，隨著主動承載層等級的降低主動承載層的厚度和壓應力等級有一定下降，下降至中等承載系數時無法形成主動承載層，而且在中等承載系數和低等承載系數支護方法中，錨桿間出現應力降低區，難以保證隧洞圍巖的穩定。因此這三個承載系數的主動承載層只有高承載系數主動承載層可運用于側壓系數為2.0的高地應力條件。綜上，建議在側壓系數為2.0的高地應力條件下使用高承載系數主動承載層用于維護片麻巖隧洞的圍巖穩定。

圖5 側壓系數2.0地應力時不同承載系數下主動承載層應力云圖

3.4 側壓系數地應力與主動承載層厚度、最大壓應力關系分析

通過模擬不同承載系數下主動承載層厚度、最大壓應力隨側壓系數地應力的變化規律，得到圖6側壓系數地應力與主動承載層厚度、最大壓應力關系曲線，由圖6（a）可知，高承載系數下，主動承載層厚度隨側壓系數地應力的增大先非線性緩慢減小，之后逐漸趨于穩定值；中等承載系數下，主動承載層厚度隨著側壓系數地應力增加先線性緩慢減小，之后隨著側壓系數地應力增加迅速減小為0；低承載系數下，主動承載層厚度隨著側壓系數地應力增加線性迅速減小為0；一定側壓系數范圍內，主動承載層厚度隨承載系數減小而減小。

圖6 側壓系數地應力與主動承載層厚度、最大壓應力關系曲線圖

由圖6（b）可知，主動承載層最大壓應力隨著側壓系數地應力的增加逐漸減小，減小的幅度隨著側壓系數地應力的降低而增加，其中低承載系數下減小幅度較大；同一側壓系數下，主動承載層最大壓應力隨著承載系數的減小而減小。

綜合以上變化分析，高承載系數下，主動承載層對于側壓系數地應力的變化具有較好的適應性，具有主動承載層厚度以及最大壓應力較大的特征；而中等和低承載系數下，只能適應一定范圍內的側壓系數地應力；主動承載層最大壓應力隨著地應力側壓系數地應力增加逐漸減，隨著承載系數的降低而減小。

4 結論

不同的地應力應使用不同的主動承載層承載系數，在側壓系數地應力分別為1.0、1.5和2.0條件下對應使用低、中等和高承載系數主動承載層。

在側壓系數地應力為1.0、1.5和2.0條件下，高承載系數所形成主動承載層厚度和最大壓應力最大，最大值為2.20 m 和3.30 MPa。

主動承載層對側壓系數地應力的適應性隨承載系數強度的降低逐漸降低；主動承載層厚度和最大壓應力隨著承載系數減小而減小。