破碎板巖公路隧道洞口穩定性控制研究

摘要：以某隧道洞口段為研究對象，對靜力條件下破碎板巖公路隧道入口段進行數值模擬。從結果可知：破碎板巖公路隧道在靜力條件下的位移和內力均滿足要求，且安全系數的最小值也在規范值內，即隧道各項指標均在符合要求，不需要加固處理；靜力作用下隧道仰拱出現較差的安全性，通過格構梁錨桿進行加固提高了仰拱的安全系數，使坡面整體穩定性有所增強。

關鍵詞：公路隧道；破碎板巖；穩定性；襯砌結構

0" "引言

板巖屬于軟巖中的一類，是一種變質巖，在地質作用下容易出現節理、裂縫等病害。在巖體數量上，軟弱夾層的占比雖然較低，但確是維持巖體穩定的關鍵所在[1]。當前，關于軟弱圍巖的隧道建設已經有較多研究。張健儒[2]根據軟巖隧道的變形機理，提出了軟巖隧道支護結構的施工控制措施。饒軍應[3]提出了綜合處治軟弱圍巖塌方的施工方案，并對處治結果進行追蹤。賈曉旭[4]基于某工程實例，通過有限元分析軟件探討了隧道圍巖在不同施工方式下的變形情況。

板巖存在較低的抗剪強度，由此導致板巖隧道施工時常出現失穩或變形等事故，從而使隧道的安全和穩定受到影響。為確保破碎板巖公路隧道建設質量及施工安全，有必要對隧道穩定性施工控制技術進行系統研究。

1" "工程概況

某公路隧道洞口位置的圍巖等級為V級，出口端溝槽主要的地質成分為板巖和風化砂巖碎塊，其余多填充有砂礫土。地質巖性多表現為板巖夾雜砂巖，有較為發育的節理裂縫和板狀構造，粗壯乃較多的不可預見風險以及災害性地質類型。

2" "有限元分析

2.1" " 有限元建模

本文以該隧道洞口段為研究對象，探討其在施工時的安全穩定性能。計算模型中，以5倍洞徑作為地層橫向范圍，總寬度約為110m。以實際的覆蓋土層厚度作為上方高度，最小埋深為3m，最大埋深為35m。以5倍洞高作為隧道的底部距離，模型高度總共為93m。模型邊界條件如下：不約束上邊界，約束模型底部和四周。具體如圖1所示。

2.2" " 測點布置

為及時有效地掌握隧道動態信息，確保隧道結構保持在合理的穩定狀態，將隧道監測斷面確定為隧道進口段的0m、5m、10m和15m斷面。此外，額外監測拱頂、拱肩等8個特殊節點，對各測點應力信息進行采集，具體布置如圖2所示。

3" "洞口襯砌結構穩定性分析

3.1" " 位移分析

限于篇幅，位移分析本文僅列出部分數據。圍巖豎向位移云圖如圖3所示。從圖3可以看出，隧道洞口段拱頂最大沉降為3.0mm。基于公路隧道建設規范可知，IV級圍巖中允許的拱頂沉降為3.50～8.20mm的，滿足規范要求。隧道最大水平收斂位移為1.2mm，而允許值為28.3～99.5m，滿足規范要求。

3.2" " 內應力計算

隧道內應力分布如圖4所示。從圖4可知，在2-4斷面的軸力分布規律基本一致，且均為受壓狀態，而1斷面則保持在拉應力狀態。在左右邊墻上出現1-4斷面的軸力最小值，在拱頂處出現2-4斷面的軸力最大值。因斷面1剛好位于洞口位置，埋深較小，因此拱頂軸力較小。隨著與洞口距離的增大，斷面2-4的埋深不斷增加，軸力也不斷增大。在斷面1的拱頂位置出現最大彎矩值，在2-4斷面的結構仰拱位置出現最大彎矩值。斷面1剛好位于洞口位置且埋深較小，為此其存在較高的危險性。

對各監測斷面的應力數據進行分析，對所得數據進行處理以獲取安全系數。各斷面安全系數最小值如圖5所示。從圖5可知，各斷面的安全系數分布規律基本一致，在結構拱頂位置存在最小的安全系數。在各個斷面中，安全系數最小的是1斷面。其剛好處于洞口位置，且埋深較小，危險性較大，為此該位置的拱頂處安全系數較小。從公路隧道設計規范中可知，1斷面為受拉控制，2-4斷面則是受壓控制，二者均都符合規范要求。

4" "洞口仰坡穩定性分析及控制技術

4.1" " 洞口段仰坡穩定性分析

通過強度折減法對仰坡安全系數進行計算分析，并按照所得結果判斷仰拱是否需要加固。分析未加固條件下仰拱的仰拱安全情況，所得最大剪切應變和安全系數如圖6所示。

通過強度折減法進行計算可知，土體在未進行加固時安全系數為1.23，且滑移面較為明顯，仰坡基本穩定。考慮到隧道洞口段上方存在仰坡，不穩定因素較多，基于安全考慮需對于仰坡進行加固。

4.2" " 加固方案

為使仰坡穩定性有所提高，通過格構梁錨桿對其加固。使用beam單元模擬格構梁，其縱橫梁尺寸均為800mm×800mm，以5m間距在仰坡上布置。通過cable單元模擬錨桿，在縱橫梁交叉位置進行設置。基于仰坡在未加固前的應力情況，確定滑移面位置，并以此計算錨桿長度和布置間距，確保滑移面外側有錨桿端頭露出。錨桿具體布置如圖7所示。

4.3" " 測點布置

采用強度折減法進行計算時，為明確仰坡圍巖在出現滑移面時的位移情況，將5個監測斷面設置到仰坡軸線處，并將10個監測點布置到仰拱土體1m和3m的位置。具體如圖8所示。

4.4" " 加固措施控制效果分析

4.4.1" "安全系數分析

仰坡加固后的最大剪切應變和安全系數如圖9所示。由圖9可知，安全系數在加固之后有較大提升，即對于仰坡穩定性而言，設置格構梁錨桿進行加固有顯著效果。土體在未加固前存在較為明顯的滑移面，但通過格構梁錨桿加固之后，滑移面顯著減小，且加固范圍內應變較小。土體強度在錨桿施加之后有所增高，仰坡受力得到較大改善，可保持在較為穩定的狀態。

4.4.2" "仰坡位移計算結果分析

仰坡監測點位移如圖表1所示。從表1可以看出，仰坡滑面處出現最大總位移，且位移在通過格構梁錨桿加固之后有顯著減小。其中，豎向位移降低幅度較大，上側和下側監測點的位移變化趨勢基本一致。格構梁的剛度較大，土體總位移在其作用下大幅降低。在土體坡面滑移處，未加固前其水平位移較為明顯，坡面經加固后位移明顯減小。對于坡面而言，施加格構梁錨桿能夠使坡面形成有效支護，使其整體穩定性得到較大提升。

4.4.3" "仰拱應力計算結果分析

仰拱最大主應力分布如圖10所示。從圖10可知，主應力在通過格構梁錨桿加固之后已經重新分布，加固范圍內效果明顯。對于仰坡而言，應力重分布能夠有效提升其整體穩定性。在未對仰坡進行加固之前，從仰坡表面到土體內側的應力逐漸加大，相比于土體外側，土體內側應力值較大。在設置格構梁錨桿之后，因土體內部錨桿的作用使其受到加固。仰坡在加固后應力逐漸變小，最大主應力約降低61%，最小主應力則幾乎沒有變化。

5" "結語

本文以該隧道洞口段為研究對象，探討其在施工時的安全穩定性能，得出以下結論：

隧道拱頂沉降值以及水平收斂值均在允許范圍內。各監測斷面的安全系數分布趨勢基本一致，均在規范要求范圍內。破碎板巖隧道結構在靜力條件下的安全性和穩定性均符合要求，隧道各指標均在規范允許范圍內。

基于強度折減法分析仰坡可知，土體在未加固前的安全系數為1.21，加固后安全系數為1.73，相比之下安全系數顯著提升。對仰坡穩定性而言，格構梁錨桿具有顯著的加固效果。應力應變在格構梁錨桿加固范圍內有所減小，在錨桿施加后土體強度明顯提高，仰坡受力得到了有效改善。仰坡滑面經加固后，其水平和豎向位移均大幅下降。對于坡面而言，施加格構梁錨桿能夠使其產生有效支護界面，有效提高了坡面的整體穩定性。

參考文獻

[1] 杜耀輝.炭質板巖大變形隧道結構受力特性及變形控制技術研究[D].西安：長安大學，2017

[2] 張健儒.善嶺隧道軟弱圍巖工程地質特性及施工對策[J].隧道建設，2014，34（8） ： 749-753

[3] 饒軍應，傅鶴林，黎明，等.白山隧道塌方處治技術及其監測結果分析[J].現代隧道技術，2014，51（2）：157-165．

[4] 賈曉旭，趙玉成.軟弱圍巖隧道 CD 法和臺階法施工力學行為分析[J].鐵道標準設計，2016，60（7）：121-125.