基于圍巖動態分級的隧道底部支護優化與穩定性研究

徐東強 邢亮 曹富興

摘要 在對以往隧道工程進行調研的基礎上，確定合適的圍巖動態分級方法后，采用圍巖分級后的巖石力學參數在承赤高速進行現場試驗與監測得出平底隧道支護符合穩定要求。并根據霍克布朗準則，通過FLAC3D有限差分軟件對比不同隧道底部模型的拱頂沉降、拱底隆起和二襯應力得出：Ⅳ1級圍巖下隧道兩個模型的豎向位移變形值相差不超1 mm，平底隧道的二襯與仰拱隧道二襯在承載應力上差距較小。故Ⅳ1級圍巖下取消仰拱，采用平底隧道的形式具有可行性。其他類似工程可借鑒于此研究成果。

關 鍵 詞 圍巖動態分級;巖石力學參數;霍克布朗準則;有限差分軟件;可行性

中圖分類號 U451? ? ?文獻標志碼 A

Support optimization and stability of tunnel bottom based on dynamic classification of surrounding rock

XU Dongqiang， XING Liang， CAO Fuxing

（School of Civil Engineering and Transportation， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract On the basis of previous tunnel projects' investigation， suitable dynamic classification method of surrounding rock is determined. The field test and monitoring of rock mechanics parameters after surrounding rock classification at Chengchi Expressway show that the flat bottom tunnel supports meets the stability requirements. According to the rule of Hoek-Brown， through FLAC3D finite difference software contrast different model at the bottom of the tunnel vault subsidence， arch bottom uplift and the secondary lining， can conclude that the vertical displacement of each tunnel model differs by no more than 1 mm in controlling settlement for IV1 surrounding rock and there was a small difference in bearing stress between the secondary lining of flat bottom tunnel and that of invert tunnel. It verifies the feasibility of using flat-bottom tunnel to substitute invert arch for IV1 surrounding rock.Other similar projects can draw on the results of this research.

Key words dynamic classification of surrounding rock; rock mechanics parameters; rule of Hoek-Brown; finite difference software; feasibility

0 引言

現代隧道建設中通過支護結構調動圍巖承載能力的觀念深入人心，然而隧道開挖是一個動態過程，圍巖狀況也不是一成不變的，如何根據工程需要確定合理的圍巖參數，是隧道修建過程中需要考慮的問題[1-2]。并且，在圍巖性質不良的隧道中，仰拱作為公路隧道襯砌的結構設計中的一部分，能夠有效的控制圍巖變形。王可意[3]細化了巖體的完整性系數與巖石的風化程度對巖石強度指標的影響。石志龍等[4]通過監測數據及時調整圍巖級別，控制施工參數取得了較好的經濟效益。實際圍巖力學行為較為復雜，具有明顯的時空效應，隨施工過程而變化[5]。進行現場監控量測能夠及時了解隧道結構的實際受力情況，是衡量隧道穩定性的標準[6-7]。徐東強等[8]運用現場監測與數值分析驗證發現Ⅳ2級三車道隧道采用底部加基礎梁形式代替仰拱可保持隧道穩定性。李之達[9]運用數值模擬分析發現Ⅳ、Ⅴ級圍巖設置仰拱可有效抑制圍巖變形，Ⅲ圍巖下支護作用不明顯故可取消仰拱。沈亞斌等[10]運用ANSYS有限元軟件分析發現施作仰拱能減少圍巖應力集中的現象，但仰拱的開挖對圍巖的擾動較大。為了加強隧道施工過程的安全性，本文將圍巖分級方法應用于具體工程，對應用圍巖變更的隧道進行監控量測，確定圍巖級別劃分的合理性以及平底隧道支護的穩定性后再運用FLAC3D有限差分軟件驗證采用平底隧道代替仰拱的可行性。

1 圍巖動態分級

本文對河北省內承唐隧道、邢汾高速、承赤高速、承秦高速公路、張承高速公路上，共46座隧道進行了調研統計，并結合國內外相關文獻分析[11-14]，根據表1統計的國內外圍巖分級指標可看出，國內外的分級指標大致相同，巖石堅硬程度以及巖體完整程度對圍巖級別起到關鍵性影響。《公路隧道設計細則》（JTG-TD70）可確定圍巖亞級分級指標和定性定量衡量巖石的硬度，定性衡量不光考慮巖石本身的成分、結構及其成因等因素外，還需考慮巖石的受風化作用程度。巖石單軸抗壓強度Rc與巖石點荷載強度指數Is可由現場點荷載試驗測得，測量數據如表2所示，單軸抗壓強度與點荷載強度指數之間的關系可由《工程巖體分級標準》中的回歸公式（1）表示：

[Rc=22.82I0.75s（50）]。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

結構面發育程度各參數中，巖體完整性受兩個因素影響，一是結構面組數，二是結構面平均間距。因此兩者是定性評價結構面發育程度的標準[15]，多數分為四級如表3所示。

巖石彈性縱波速度測試用于定量分析巖體完整性，測試得到的值按照公式（2）計算出巖體完整性指數Kv[16]，推斷出的定性值見表4。

[Kv=VpmVpr2]? ，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：[Vpm]為巖體彈性縱波速度（km·s-1）;[Vpr]為巖石彈性縱波速度（km·s-1）。

Hoek-Brown強度準則巖體的力學性能參數可以由公式（3）計算的巖石BQ值和公式（4）計算的巖石強度指數GSI來確定。實現了圍巖亞級的劃分與數值模擬過程中力學指標的選取。 對承赤高速公路17條隧道，83個工作面進行了圍巖分級，圍巖變更情況如表5。

[BQ=90+3Rc+250Kv]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

[GSI=0.2[BQ]-30]。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

2 現場試驗與數據分析

赤承高速五標段南溝隧道位于燕山地區，始于承德縣南溝村東。隧道區地層為侏羅紀泥巖、安山巖、角礫巖及花崗巖，選取代表性斷面進行分析，該分析斷面位于南溝隧道出口（右洞）K65+680掌子面，面積長×寬為6 m×2 m，存在3～4組節理，節理面平均間距0.2～0.4 m，圍巖較完整，JV=17。圍巖底部潮濕，局部有點狀出水滴，地下水影響系數K1=0.2;主要結構面產狀影響系數K2=0.3，初始地應力影響系數K3=0，計算得到圍巖基本質量指標修正值[BQ]為322.4。隧道圍巖劃分等級為Ⅳ1級，支護結構采用平底隧道形式，采用壓力盒對該斷面圍巖和初期支護的接觸壓力進行監測，壓力和布置圖如圖2。

監測時間從2012年9月2日開始，累計監測22個月，監測結果如圖4和圖5所示。從9月2日開始監測，隧道初襯壓力隨工作面推進，壓力不斷增大，至9月18日，約15～18天，初襯壓力趨于穩定，其中拱頂壓最大達到112.3 kPa。

從10月23日開始下臺階的開挖對K65+680監測斷面初襯壓力產生影響， 使得圍巖與初襯之間的壓力增大，拱頂增大并穩定到177 kPa左右，上拱肩增大到84.6 kPa后降低并穩定到68 kPa左右。 而下拱肩降低到0 kPa左右，認為圍巖與初襯之間沒有力作用，圍巖達到自穩，初襯相對穩定。隧道下臺階的開挖，使拱頂初襯壓力增加57%左右。隨著下臺階掌子面的推進至2012年11月15日，即累計監測74日，圍巖與初襯之間的壓力逐漸平穩該斷面初襯處于受壓狀態， 對穩定有利，12月1日，即監測第90天，拱頂壓力增至215 kPa，之后一直到監測結束，各監測點壓力值大體保持不變。南溝隧道K65+680采用復合式襯砌結構設計，初襯噴射混凝土層為C25混凝土，二襯采用C30素澆混凝土。通過監測隧道噴射混凝土層的壓力數據，IV1級圍巖采用平底隧道結構支護，隧道初襯支護符合穩定要求。

3 隧道支護方式數值模擬

隧道圍巖的位移和彈塑性范圍可作為圍巖穩定性的評價標準和隧道支護定量設計的理論基礎[17-18]。本文使用FLAC3D進行數值模擬，建立對比模型：模型1為平底隧道，模型2為仰拱隧道。重點分析了模型的豎向及水平位移和二次襯砌應力的分布特征，論證圍巖級別劃分以及相應支護的可行性。本文選取左線里程ZK65+580處的工程地質情況作為建模依據。

3.1 計算模型及邊界條件

根據平底隧道采用三心圓模型，仰拱隧道采用五心圓模型，不設置超前支護。模型尺寸設計為100 m×51 m×100 m，隧道三維模型網格圖如圖6。初襯由錨桿和噴層混凝土共同組成，隧道底部的基礎梁由梁單元模擬。隧道開挖支護的模擬過程：先開挖上半臺階斷面，每次開挖進尺3 m，等到上臺階初期噴錨支護完成后，再進行下一個上半臺階的下一個循環，下臺階開挖面與上臺階工作面間隔15 m，下臺階開挖進尺3 m，開挖完成后進行下臺階斷面的支護，待整個初期支護完成后選擇合適的時機進行二次支護。

隧道模型支護結構，采用Cable單元模擬桿，錨桿選擇中空注漿鎖腳錨桿。初期支護噴射混凝土由襯砌單元shell模擬，為Mohr-Coulomb模型實體單元，強度等級為C25。圍巖為Hoek-Brown實體單元。在FLAC3D數值模擬中，噴射混凝土的彈性模量由鋼拱架和鋼筋網的彈性模量折算得出，其計算公式為

[E=sc?Ec+sg?Egsc+sg] ， （5）

式中：E為折算后的混凝土彈性模量;[Ec]為原混凝土的彈性模量;[sg]為鋼拱架或鋼筋網截面面積;[sc]為混凝土截面面積;[Eg]為鋼材彈性模量。

初始應力場僅考慮自重應力影響，巖石力學指標采用Hoek-Brown屈服準則會更加接近實際巖石節理裂隙與非線性破壞，整體考慮巖塊風化程度、應力狀態與塊體結構以及完整性系數。巖體參數mb，b，s，a的值由公式（6）、（7）確定，如表1所示。依據現場點荷載試驗數據和公路隧道設計規范（JTG / T D71—2004），可選取圍巖和襯砌參數，見表6和表7。

1）對于GSI>25.0（Ⅲ級圍巖）

[mb=miexp（GSI-10028）s=exp（GSI-1009）a=0.5]。? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

2）對于 GSI<25.0（Ⅳ～Ⅴ級圍巖）

[mb=miexp（GSI-10028）s=0a=0.65-GSI200]。? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中：[mb]，a為針對不同巖體的量綱一的經驗參數;s為巖體破碎程度。

3.2 目標斷面主要檢測點分析

3.2.1 位移場分析

由于隧道開挖擾動造成的影響，變形已經發生在掌子面前方數十米范圍的巖體中，現場量測往往滯后開挖面一定距離對隧道拱頂沉降進行量測。圖7和圖8為隧道開挖完成后的豎向位移圖。圍巖變形值隨著開挖步數的增長而增大，最后逐漸趨于穩定。從圖9可知仰拱和平底隧道模型的沉降值基本重合，平底隧道模型最終沉降值為-5.136 7 mm，仰拱隧道模型最終沉降值為-5.209 7 mm，兩者幾乎無差異，說明平底隧道模型對圍巖沉降起到和仰拱隧道模型一樣的支護作用。從圖7和圖8可看出拱頂沉降由拱頂向兩側遞減，最小值出現在拱腳處。從圖11可看出仰拱隧道對拱底隆起起到較好的抑制作用，仰拱隧道最終拱起值為4.517 2 mm，平底隧道最終拱起值為4.924 4 mm，仰拱隧道拱起比平底隧道減少8.26%。在邊墻水平位移方面，仰拱隧道略大于平底隧道，這是由于仰拱開挖對圍巖擾動較大。整體看來，兩模型沉降基本一致，底部拱起值及邊墻水平值差距小，故在此圍巖狀況下施工可用平底隧道代替仰拱隧道，可對底部采取鋪設混凝土減少拱起。

3.2.2 二次襯砌應力分析

由于隧道的運營周期較長，初期支護的承載作用到后期可能會減弱，二襯可作為隧道的安全儲備，二襯表面的應力變化可作為隧道的安全指標。由圖13和圖14可看出兩模型最大壓應力都在拱腳處，平底隧道最大壓應力值為11.912 MPa，仰拱隧道最大壓應力值為11.287 MPa，均低于C30混凝土抗壓極限強度。由圖15、16可看出兩模型最大拉應力位于隧道底部，平底隧道最大拉應力值為1.893 5 MPa，仰拱隧道最大拉應力值為1.666 4 MPa，均低于C30混凝土抗拉極限強度。兩者在承載應力方面差距小。說明平底隧道支護能滿足承載力要求。

4 結論

通過對圍巖分級隧道斷面的施工監控量測以及對隧道底部不同支護形式進行數值分析，得到如下結論。

1）通過對國內外隧道圍巖分級采用的指標統計分析，確定了承赤高速公路隧道圍巖亞級動態分級指標獲取指標的方法。圍巖級別變更后，動態圍巖分級優于初始分級的比例較多，為49.4 %。

2）現場典型斷面監測初襯數據分析表明，在監測過程中，支護結構所受到的圍巖壓力先增加后平穩，支護結構并未發生變形不收斂。在IV1級圍巖中采用平底支護結構可以保證施工安全。

3）采用動態圍巖分級后的參數通過數值模擬對比兩種模型，可看出平底隧道與仰拱隧道在拱頂沉降，底部拱起、邊墻水平位移以及二襯主應力上的差距較小。說明了該種圍巖條件下平底隧道結構的合理性，驗證了在Ⅳ1級圍巖隧道中采用平底隧道代替仰拱的可行性，其結果可以為類似工程提供經驗。在施工方面，采用平底隧道支護能夠簡化施工步驟，降低對圍巖的擾動。在經濟方面，更為節約成本。

參考文獻：

[1]? ? 仇文革. 隧道仰拱的施作時機與縱向效應的試驗分析[J]. 西南交通大學學報， 1993， 28（6）：68-74.

[2]? ? 郭吉平. 硬質裂隙灰巖隧道初支受力特征與錨桿動態設計[J]. 中外公路， 2016， 36（5）：198-201.

[3]? ? 王可意， 徐東強. 定量化GSI在估計巖體力學參數中的應用研究[J]. 鐵道科學與工程學報， 2016， 13（11）：2168-2173.

[4]? ? 石志龍， 徐超. 亞婆髻隧道施工監控量測與穩定分析[J]. 地下空間與工程學報， 2010， 6（3）：526-531， 542.

[5]? ? 張頂立， 黃俊. 地鐵隧道施工拱頂下沉值的分析與預測[J]. 巖石力學與工程學報， 2005， 24（10）：1703-1707.

[6]? ? 鄔愛清， 徐平， 徐春敏， 等. 三峽工程地下廠房圍巖穩定性研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2001， 20（5）：690-695.

[7]? ? 王彥武. 太舊高速公路北茹隧道圍巖變形監測[J]. 巖石力學與工程學報， 1998， 17（2）：148-152.

[8]? ? 徐東強， 薛宇飛. 基于現場監測與數值模擬公路山嶺隧道Ⅳ級圍巖段仰拱優化分析[J]. 科學技術與工程， 2018， 18（32）：83-88.

[9]? ? 李之達， 張瓊武， 黃強， 等. 小凈距公路隧道仰拱設置的研究[J]. 湘潭大學自然科學學報， 2009， 31（2）：51-56.

[10]? 沈亞斌， 王倩， 田沖沖. 基于數值模擬隧道仰拱開挖對初期支護的影響分析[J]. 路基工程， 2015（4）：180-184.

[11]? 左昌群， 陳建平. 基于可拓學理論的圍巖分級方法在變質軟巖隧道中的應用[J]. 地質科技情報， 2007， 26（3）：75-78.

[12]? 馬超鋒， 介玉新， 王篤禮， 等. 山嶺隧道施工階段圍巖動態分級研究[J]. 鐵道學報， 2013， 35（10）：106-113.

[13]? 胡盛明， 胡修文. 基于量化的GSI系統和Hoek-Brown準則的巖體力學參數的估計[J]. 巖土力學， 2011， 32（3）：861-866.

[14]? 郗鵬程， 伍法權， 包含. 基于統計巖體力學的隧道圍巖分級方法[J]. 地下空間與工程學報， 2018， 14（1）：131-137.

[15]? 王敏強， 陳勝宏. 盾構推進隧道結構三維非線性有限元仿真[J]. 巖石力學與工程學報， 2002， 21（2）：228-232.

[16]? 華淵， 朱贊成， 周太全， 等. 基于有限差分法的隧道新型支護結構穩定性分析[J]. 巖石力學與工程學報， 2005， 24（15）：2718-2722.

[17]? 孟海東， 劉志堅. 應用于監測礦區沉降的相位解纏算法研究[J]. 煤炭技術， 2017， 36（7）：111-113.

[18]? 陳力華， 任尚強， 郝雷杰. 大跨扁平隧道仰拱研究[J]. 公路交通技術， 2009， 25（6）：106-109.