松散巖堆隧道洞口段初期支護厚度對隧道穩定性影響研究

姜以安 王宗學 黎萬寶

摘要：文章針對散巖堆積體隧道洞口段圍巖極其破碎、自穩能力差的特點，采用數值模擬與理論分析相結合的手段，分析和探討了隧道洞口段不同厚度的初期支護對隧道洞周位移及應力的影響特征。研究結果表明：在3種不同工況下隧道洞口段開挖引起的洞周收斂呈拱腳>拱腰>拱肩的分布規律，隧道拱頂產生較大沉降，隧道拱底產生較大隆起，但增加初支厚度對位移的限制效果有限;在3種不同工況下初期支護最大主應力最大值主要出現在隧道拱腳位置，最小主應力的最大值主要出現在拱肩位置，最大剪應力最大值出現位置與最小主應力出現位置相同;3種不同工況下洞周位移和初期支護應力在分布規律上未出現明顯區別，隨著初期支護厚度的增加而減小。

[作者簡介]姜以安（1977—），男，本科，工程師，從事公路、橋梁、隧道施工技術管理工作。

近年來，隨著我國對西部的建設和開發，隧道已經成為穿越山嶺地形的必不可少的工程。由于西部地區“兩山夾一谷”的地形特點，很多隧道洞口段處于松散堆積體上。松散堆積體隧道洞口段圍巖極其破碎、自穩能力差，隧道施工的難度和事故大大提高。因此，針對松散堆積體隧道洞口段施工往往需要著重考慮初期支護的參數，保證圍巖及結構的穩定性。

為了解決松散堆積體隧道施工的問題，國內外學者對其做了大量的研究。鄧永杰[1]通過數值模擬分析每種工況下位移、應變、應力，得出開挖過程中圍巖變形以及支護受力變化規律。周清學等[2]通過研究厚層松散堆積體3種施工工法下的圍巖塑性區和圍巖位移，對其施工工法進行優化。蘭旭等[3]利用數值模擬，采用全斷面開挖，在不同斷面處分析洞口位移等參數得出洞口圍巖變形規律。謝亦朋等[4]依托云南羅打拉隧道，構建堆積體地層隧道開挖細觀結構模型，深入研究了松散堆積體隧道圍巖變形破壞細觀特征。昝文博等[5]采用彈塑性非線性有限元法，分析了松散堆積體隧道圍巖空間位移特征，發現隧道開挖引起的圍巖變形具有明顯的三位特性。宋志榮[6]依托二郎山隧道，介紹了隧道開挖施工遇到的問題和解決措施，提出了淺埋偏壓大范圍松散堆積體的進洞技術。周業萍等[7]通過建立邊坡模型以得出控制性結構面物理力學參數，并提出評價以及加固措施。陳水和[8]依據宅嶺隧道，介紹了松散堆積體塌方帶的穿越施工技術和預防其再次塌方的關鍵措施。

然而在松散堆積體地層的工程實踐中，塌方、冒頂等施工仍然頻發，威脅著工程施工人員的生命安全和結構的穩定性，同時存在著針對松散堆積體地層初期支護的研究不足的問題。因此本文以重慶火鳳山隧道為工程依托，對松散巖堆隧道洞口段不同厚度的初期支護進行了分析研究，為初期支護的設計提供理論支持，并且為重慶高速公路隧道的安全、快速施工提供重要保障。

1 隧道數值計算模型

以重慶火鳳山隧道為對象，建立隧道數值計算模型，采用FLAC3D軟件，研究隧道不同初期支護厚度對圍巖穩定性的影響，將分別對初期支護厚度30 cm、初期支護厚度34 cm、初期支護厚度40 cm 3種工況下隧道洞周位移和初期支護應力進行分析。

根據隧道縱斷面地質資料，建立三維網格模型，模型的邊界條件設置為左、右、后3個邊界面限制垂直于平面方向的位移，底面限制垂直于平面和平行于平面方向的位移，前邊界面隧道開挖處采用自由界面，周圍噴射的混凝土采用shell單元模擬，上邊界面坡體采用種草護坡，也采用shell單元進行模擬，計算模型如圖1所示。

2 計算參數選取

根據以往的經驗資料和隧道地層土工試驗參數，確定隧道結構模型的計算參數，具體計算參數如表1所示。

依照JTG D70-2004《公路隧道設計規范》，VI級圍巖初期支護厚度通常采用試驗、計算確定，但考慮到松散堆積體隧道洞口段圍巖穩定性極差，容易發生塌方等事故，故應采取強支護方案，本次計算擬定分析對比初期支護厚度分別為30 cm、35 cm、40 cm 3種工況下的初期支護變形和受力特征，以確定最優厚度。

由于不同的初期支護厚度也會對折算的初期支護殼單元的力學參數產生影響，表2列出了各初期支護厚度下殼單元的力學參數。

3 計算結果及分析

在松散巖石堆積體地層中，為研究初支厚度對隧道洞口段穩定性的影響，分別提取了3種工況下拱肩、拱腰、拱腳、拱頂和拱底的豎向位移進行分析，同時提取開挖完成階段的初期支護應力進行研究。具體計算結果如下。

3.1 洞周位移

圖2是初期支護厚度35 cm時隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱腳及拱底的位移變化規律。

由圖可知，隨著開挖進尺的增加，隧道各特征點的最大位移值也不斷增大。在掌子面前方一定范圍內，已經產生了一定的小變形，隨著開挖面的推進，拱頂下沉不斷增大，其初期下沉速率很大，而后速度逐漸減緩，并趨于穩定。在初期支護35 cm的工況下，隧道拱頂沉降最大值達到了31.02 mm，拱肩沉降最大值達到了39.21 mm，隧道底部隆起最大值達到了12.14 mm。初期支護厚度30 cm、40 cm 2種工況下洞周位移變化規律和上述工況一致，只是在量值上有所差異。為了研究方便，提取不同工況下的各監測點位移最大值見表3。

由圖表分析可知，在3種不同工況下隧道洞口段開挖引起的洞周收斂呈拱腳>拱腰>拱肩的分布規律，隧道拱頂產生較大沉降，隧道拱底產生較大隆起。不同工況下的隧道洞周位移值具有一定的差異，隧道洞周位移值隨著初期支護厚度的增多而減小;初支厚度增加16 %，隧道洞周位移減少約3 %，即初支厚度的增加對限制隧道洞周位移效果有限。

3.2 初期支護結構受力分析

圖3和表4給出了3種工況下隧道初期支護結構的最小主應力、最大主應力和最大剪應力的變化情況及最大值。

由圖3可知，隨著開挖的不斷進行，初期支護結構受力也相應增加;在拱腳和拱腰處，有應力集中的現象。初期支護最大主應力最大值主要出現在隧道拱腳位置，且以靠近洞口30 m段為主;最小主應力的最大值主要出現在拱肩位置，且以靠近掌子面處為主;初期支護的最大剪應力出現位置與最小主應力出現位置相同。在初期支護厚度35 cm的工況下，隧道初期支護的最大主應力達到3.91 MPa，最小主應力達到4.52 MPa，最大剪應力達到3.65 MPa。不同初期支護厚度工況下初期支護結構受力變化規律無明顯區別，只是在量值上有所差異，其值隨著初期支護厚度的增多而減小。

4 結論

針對散巖堆積體隧道洞口段圍巖極其破碎、自穩能力差的特點，采用FLAC3D數值軟件分析了不同初期支護厚度對隧道結構變形及應力的變化特征。主要得出結論：

（1）從洞周位移進行分析，3種工況下洞周位移在規律上沒有明顯差別，只是在量值上有一定差異。洞周收斂呈拱腳>拱腰>拱肩的分布規律，隧道拱頂產生較大沉降，隧道拱底產生較大隆起;不同工況下的隧道變形量具有一定的差異，隧道圍巖變形值隨初期厚度增加而減少，但減小值有限。

（2）從初期支護受力進行分析，3種工況初期支護受力分布規律上也并未出現明顯區別，主要在量值的大小有所不同。初期支護厚度增加導致應力的減小，這說明噴射混凝土厚度增加有利于初期支護結構的受力。

（3）綜合來看不同初期支護厚度工況下計算得到的圍巖位移較小，增加初支厚度對位移的限制效果有限但可明顯改善初支結構的受力。在實際施工過程中，為滿足位移控制要求，不過分抑制圍巖的應力釋放，可適當增加初期支護的厚度。

參考文獻

[1] 鄧永杰. 淺埋偏壓大跨度隧道洞口段進洞技術研究[D].成都：西南交通大學，2013.

[2] 周清學，張熙，張建明，等.厚層松散堆積體偏壓隧道施工方法優化研究[J].四川建材，2019，45（10）：96-97+99.

[3] 蘭旭. 花石溝隧道洞口仰坡數值模擬及其穩定性分析[D].武漢：華中科技大學，2012.

[4] 謝亦朋，楊秀竹，陽軍生，等.松散堆積體隧道圍巖變形破壞細觀特征研究[J].巖土力學，2019，40（12）：4925-4934.

[5] 昝文博，賴金星，張玉偉，等.松散堆積體隧道圍巖空間位移特征分析[J].解放軍理工大學學報（自然科學版），2017，18（3）：270-276.

[6] 宋志榮.公路隧道穿越淺埋偏壓大范圍松散堆積體進洞施工技術[J].鐵道建筑技術，2015（2）：38-41+69.

[7] 周業萍，常嘉.某隧道邊坡穩定性研究[J].山西建筑，2012，38（9）：167-169.

[8] 陳水和.松散堆積體塌方帶穿越施工技術研究[J].西部探礦工程，2014，26（8）：194-198.