探討某隧道項目層狀巖體變形特征及支護方案優(yōu)化

張貴誼

[遵義交通建設(shè)投資（集團）有限公司,貴州 遵義 563000]

0 引言

隧道工程實踐中，地質(zhì)條件、施工方法、圍巖壓力分布不對稱等原因使得隧道圍巖的力學特性復雜多變，隧道開挖過程中層狀巖體易發(fā)生滑移等安全事故[1-3]。以某高速公路隧道工程為例，建立高速公路隧道圍巖結(jié)構(gòu)變形分析數(shù)值模型，總結(jié)巖體變形特性，提出優(yōu)化錨桿布置的非對稱支護方案[4-5]。即基于原有支護方案優(yōu)化隧道左側(cè)圍巖的錨桿長度、環(huán)距及布局。

1 工程概況

某一級風險隧道，總長度10 751 m，最大埋深470 m，為單孔復線隧道，穿越巖層層理清晰，平均厚度35 m。由于層狀巖體的承載能力低，原有支護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫和脫落。開挖至DK525+175斷面時，工作面周圍的巖石坍塌。經(jīng)過初步的支護處治后，該隧道圍巖變形仍在不斷發(fā)展，被迫中止施工，決定采取回填措施有效控制變形。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

基于隧道圍巖夾層模擬其層理面，初步確定為軟弱夾層，適當減小其材料參數(shù)以突出層狀巖體層間特性。根據(jù)莫爾—庫侖理論建立層狀巖體塑性模型，將巖體視為平面應變單元，其抗剪切強度計算公式為:

式中，τ——破壞面的剪切應力；a——圍巖層理面、破壞面之間的夾角；c——巖體黏合力；?——內(nèi)摩擦角。σ——正應力，相應的圍巖整體強度可通過公式（2）、（3）表示：

式中，cmax——與最大主應力平行的巖體黏合力；cmin——與最大主應力垂直的巖體黏合力；a0——圍巖層理面、最大主應力的夾角；?max、?min分別表示最大、最小摩擦角。

2.2 邊界條件及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

該高速公路隧道兩側(cè)邊沿與其中心線相距60 m，隧道上下邊沿相距95 m。隧道上左右邊沿設(shè)為橫向位移約束。巖體層理面傾角30°，間距1.8 m，軟弱夾層厚0.02 m，該計算模型大小300 m×300 m，模型關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)

按照等效法確定支護參數(shù)，以簡化模型計算，將鋼拱架彈性模量換算到初期支護，具體公式如下:

式中，E——換算后的混凝土彈性模量；E0——換算前的原混凝土彈性模量；Sc——混凝土截面積；η——單位長度的鋼拱架等效榀量；Sg——截面積；Eg——彈性模量。

2.3 計算工況

在高速公路工程試驗路段分別運用全斷面開挖方式、臺階開挖方式進行隧道開挖，計算無支護開挖與有支護開挖這兩種工況下的隧道圍巖變形情況[6]。

2.4 隧道變形特征分析

隧道結(jié)構(gòu)力學分析工具生成開挖作業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并以圖形方式顯示全斷面無支護開挖、全斷面有支護開挖、臺階無支護開挖、臺階有支護開挖四種工況下隧道圍巖的垂直和水平變形。結(jié)合圖1、圖2對四種工況下的應變云圖進行分析，發(fā)現(xiàn)四種工況下圍巖變形不對稱特征顯著。

圖1 各種計算工況下的隧道圍巖縱向變形云圖（單位：mm）

圖2 各種計算工況下的隧道圍巖橫向變形云圖（單位：mm）

（1）無支護開挖時隧道圍巖變形大于有支護開挖，無支護狀態(tài)下，相較于臺階開挖，采用全斷面法開挖產(chǎn)生的變形更大；有支護狀態(tài)下，相較于臺階開挖，采用全斷面開挖法導致的圍巖變形更小[7]。

（2）全斷面無支護開挖導致的圍巖變形最大，經(jīng)實地測量可知此時隧道拱頂沉降49.4 mm，仰拱隆起48.9 mm，水平收斂22.7 mm，全斷面有支護開挖導致的隧道圍巖變形最小，經(jīng)實地測量可知此時隧道拱頂沉降15.8 mm。仰拱隆起28.4 mm，置高度27.3 mm，水平收斂5.23 mm。

（3）開挖方式相同的情況下，支護措施對圍巖變形的影響較大。經(jīng)實地測量可知，無支護時，采用全斷面法開挖隧道時，拱頂沉降大小為49.4 mm，有支護時，拱頂沉降大小為15.8 mm，無支護情況下水平收斂為22.7 mm，有支護情況下水平收斂為5.2 mm。經(jīng)實地測量可知，采用臺階法開挖時，無支護情況下隧道拱頂沉降為45.6 mm，有支護情況下隧道拱頂沉降為18.3 mm。無支護情況下的水平收斂為21.4 mm，有支護情況下的水平收斂為6.3 mm。

（4）四種工況下圍巖變形特征基本相同。變形較大的拱頂與仰拱的連線，垂直于巖石層理面，如圖3所示；隧道拱頂沉降呈左大右小非對稱分布，其中左側(cè)拱腰上部水平位移最大。

圖3 高速公路隧道圍巖非對稱變形特征

（5）層狀巖體各個方向的異性，引發(fā)隧道變形不對稱，軟弱夾層容易在層狀面上滑動，因此，必須采取支護措施控制不對稱變形[8]。

3 隧道圍巖支護方案改進

3.1 方案初選

隧道巖體開挖后，其中的軟弱夾層受到的破壞更大，易出現(xiàn)滑坡。由于隧道左拱上部變形較大[9]，基于當前圍巖支護方案進行優(yōu)化，重點調(diào)整隧道左側(cè)圍巖錨桿長度、環(huán)距以及布局，初步選定的支護優(yōu)化方案如圖4所示，具體如下：

圖4 支護方案

（1）將當前隧道左側(cè)圍巖錨桿長度從3.5 m增加到4 m。

（2）增加隧道左側(cè)圍巖地腳螺栓，將螺栓環(huán)間距從1 m降低至0.5 m。

（3）將錨桿垂直于生成平面布設(shè)在隧道左拱上方[10]。

3.2 不同支護方案下的隧道變形比較

不同支護方案下該高速公路隧道圍巖位移大小見表2，隧道變形量見圖5。

表2 不同支護方案下的隧道圍巖位移 /mm

從表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，三種優(yōu)化方案對應的隧道圍巖位移均有不同程度的減少，其中仰拱隆起分別減少9.3%、16.4%、3.18%；隧道拱頂沉降分別減少5.7%、12.5%和2.6%；水平收斂分別減少6.2%、10.8%和3.3%，綜上方案二效果最好，方案三效果最差。

如圖5所示，不同支護方案下，上臺階開挖對隧道拱頂沉降、水平收斂變形均有顯著影響，因此，上臺階開挖后需及時設(shè)置支護結(jié)構(gòu)。綜上，方案二下隧道圍巖整體變體最小。方案三通過優(yōu)化錨桿的方式控制變形，因此，方案三總體效果最佳。

圖5 不同支護方案下隧道開挖變形量

4 結(jié)論

綜上所述，四種工況下，隧道左拱的沉降大于右拱沉降，右拱仰拱隆起大于左拱仰拱隆起，無支護狀態(tài)下對稱變形特征更顯著，拱頂、仰拱變形明顯部位的連線與層理面垂直。通過優(yōu)化隧道左側(cè)拱頂錨桿長度、錨環(huán)距離可有效控制圍巖變形，是一種節(jié)省成本、經(jīng)濟且可靠的支護加固方案。