大觀亭隧道軟巖段巖體力學特性及支護方案研究

中圖分類號：U455.4文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.032

文章編號：1673-4874（2025）01-0107-04

0 引言

隨著我國經濟的高速發(fā)展和交通建設投資的不斷增加，隧道工程數量日趨增多[1，經常需要穿越復雜山區(qū)。隧道跨越此類艱險區(qū)域的過程中常遇到高地應力、巖體質軟且結構面發(fā)育等復雜地質問題，可能會產生較大變形和失穩(wěn)破壞。因此，明確這類復雜條件下隧道圍巖變形和支護結構受力規(guī)律，提出科學、合理的支護措施是目前亟待解決的關鍵問題。

目前，針對高地應力條件下軟巖隧道圍巖變形特征和支護方案的研究已有較多成果。李峰2以玉磨鐵路某高地應力構造破碎帶隧道為研究對象，基于初支位移監(jiān)測結果分析了隧道大變形災變機制，針對隧道變形破壞特點提出了具體的支護加固方案。陳建勛等3基于某大跨度綠泥石片巖隧道實際工程現場監(jiān)測結果，分析了高地應力軟巖隧道的大變形災害特征，構建隧道大變形分級標準，并針對變形等級提出相應的支護建議。曹小平等[4]針對蘭渝鐵路某高地應力軟巖隧道的大變形問題，通過現場監(jiān)測手段研究了多種支護體系下隧道圍巖變形及支護結構受力特征，基于試驗段的實際情況提出合理的支護措施。季萬順等依托某深埋高地應力板巖隧道實際工程，開展三軸壓縮試驗研究圍壓對板巖變形和強度特性的影響規(guī)律，通過數值模擬和多元線性回歸分析方法對隧道預應力錨固支護結構進行敏感性分析，并基于此提出了科學、有效的初期支護方案。

本文以大觀亭隧道軟巖段實際工程為研究對象，開展室內力學試驗研究層狀千枚巖的力學特性，運用FLAC3D有限差分軟件模擬隧道開挖過程中的圍巖變形和支護受力特征，基于支護參數敏感性分析，根據“針對性、綜合性、經濟性”原則，提出適用于不同地質條件的有效支護方案。

1工程概況

廣西桂林一恭城一賀州高速公路大觀亭隧道總長

5642m，最大埋深約330m，洞口凈寬 11.5m 凈高5.0m 。隧址區(qū)地形起伏較大，隧道進出口存在不利結構面組合，洞口邊仰坡穩(wěn)定性一般。隧道沿線以V級、V級圍巖為主，多為層狀千枚巖、泥質粉砂巖，巖質軟，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，結構面整體性差。地下水基本類型主要為基巖裂隙水，主要受大氣降水補給，圍巖自穩(wěn)能力較差。分析上述情況可知，研究該隧道埋深較大，地應力水平高，圍巖多為結構面發(fā)育的軟巖，整體穩(wěn)定性較差，在較高地應力場環(huán)境作用下極易產生大變形災害，故需對其軟巖力學特性及隧道施工支護方案進行研究，以期為大觀亭隧道軟巖段的設計和施工提供技術支撐。

2軟巖力學特性試驗研究

選取隧道典型區(qū)段層狀千枚巖巖塊，采用高精度線切割機沿與巖層層面垂直、平行和呈 角度的3個方向將其割制成 100mm標準圓柱尺寸。試驗測得所取巖樣的自然含水率約為 6.3% ，據此開展三軸壓縮試驗，獲取自然含水率狀態(tài)下不同層理角度和含水狀態(tài)巖樣的三軸壓縮強度、殘余強度及彈性模量。試驗結果如表1所示。

繪制巖樣三軸壓縮強度、殘余強度隨層理傾角的變化曲線如圖1所示，根據Mohr-Coulomb準則繪制巖樣黏聚力、內摩擦角等強度參數與層理傾角的關系曲線如圖2所示。由圖 可知，巖樣的力學性質表現出明顯的各向異性特征，隨著層理傾角的增大，巖樣強度和強度參數均表現出先減小后增大的變化規(guī)律。45°層理傾角巖樣的三軸壓縮強度和殘余強度最低，黏聚力和內摩擦角最??；平行和垂直于層理面巖樣的強度和強度參數較高。以上結果表明，含一定層理傾角圍巖的承載能力較低，在自重作用下極易產生層間滑移破壞，故在此類區(qū)段隧道開挖施工過程中需加強支護措施，以提高圍巖的整體穩(wěn)定性。

隧道模型如圖3所示?？紤]邊界效應對模擬結果的影響，模型尺寸考慮 倍洞徑，計算模型整體寬85m（ X 方向）高 方向）深 方向），隧道埋深為28. 5m 。根據實際工況，模型頂部不設置約束，施加 的豎向荷載模擬高埋深工況；底面和四周設置法向約束。模型施工完全模擬三臺階工法，巖體開挖后及時進行初期支護。模型圍巖采用實體單元模擬，選用遍布節(jié)理本構模型模擬圍巖層理的各向異性特征；初期支護為噴錨體系，采用實體單元模擬；二次襯砌為0.6m厚的C30混凝土，拱頂位置采用超前小導管注漿加固，采用殼單元（shell）模擬。根據具體工況及力學試驗結果，本次模擬的材料參數設置如表2所示。

3.1模型的建立

3隧道軟巖段支護方案研究

上述力學試驗結果表明，隧道圍巖結構面發(fā)育、質軟且破碎，在較高地應力、地下水發(fā)育及巖層傾角不利的情況下，具有較大的變形失穩(wěn)趨勢，因此需對此類地段隧道圍巖的支護方案開展研究。本文采用FLAC3D有限差分軟件建立大觀亭隧道三維計算模型，研究隧道開挖過程中圍壓和支護結構的響應規(guī)律，并進行支護參數敏感性分析，研究噴射混凝土厚度、錨桿長度和注漿厚度對圍巖變形和支護受力的影響。

3.2開挖全過程中的圍巖變形和支護受力規(guī)律

以縱向深度為25m的居中斷面為監(jiān)測對象，繪制隧道開挖施工全過程中監(jiān)測斷面圍巖變形和拱腳應力（該位置易產生較大的應力集中）隨施工步的演化曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著開挖的進行，隧道圍巖變形和初支應力總體表現出三個階段的發(fā)展趨勢：I階段，掌子面開挖至監(jiān)測斷面以前，隧道拱頂沉降、水平收斂及初支拱腳應力基本保持不變；Ⅱ階段，開挖至監(jiān)測斷面附近及以后，隨著上、中、下臺階的輪流施工和初支的及時施作，圍巖變形和初支應力持續(xù)發(fā)展；Ⅲ階段，掌子面遠離監(jiān)測斷面后，隨著支護結構加固作用的充分發(fā)揮，圍巖變形和支護應力逐漸趨于穩(wěn)定。另外，監(jiān)測斷面開挖前，圍巖受前方附近掌子面開挖影響已產生較大變形，且拱頂位置產生的變形較拱腰位置更加劇烈。而圍巖拱腰位置在開挖完成后產生了更大累積變形，即開挖過程中拱腰位置巖體的位移響應更加劇烈。此外，可以發(fā)現，洞周圍巖最大變形速率主要發(fā)生在上臺階開挖工序，故在現場施工過程中應注意工序銜接，各開挖工序完成后及時采取初期支護措施快速封閉暴露巖體，可有效控制圍巖變形速率，降低隧道失穩(wěn)破壞風險。

3.3支護參數敏感性分析

為優(yōu)化隧道支護加固方案，對隧道支護參數進行敏感性分析，分析不同噴射混凝土層厚（ 15cm、20cm、25cm、30cm）、錨桿長度 和注漿厚度 工況下隧道圍巖變形和支護受力情況，計算結果如表3所示。其中，圍巖塑性區(qū)體積通過編寫FISH語言程序提取，二次襯砌的安全系數參考《公路隧道設計規(guī)范》計算確定。

3.3.1圍巖變形

隨著噴射混凝土層厚、錨桿長度及注漿厚度的增大，隧道拱頂沉降和水平收斂逐漸降低，降低幅度可達20% ，表明三種增大支護剛度的措施均能有效控制圍巖變形。對比不同支護方案下隧道拱頂沉降和水平收斂的變化幅度可以發(fā)現：增大噴射混凝土層厚對拱腰變形的控制效果大于拱頂；錨桿長度對拱頂變形的影響更加劇烈；注漿厚度對拱頂和拱腰變形的影響相當。工程中可通過提高噴射混凝土層厚、錨桿長度及注漿厚度等措施綜合調整、控制圍巖變形。

3.3.2 塑性區(qū)體積

隨著噴射混凝土層厚、錨桿長度及注漿厚度的增大，隧道塑性區(qū)體積不斷減小。30cm厚噴射混凝土工況相對于15cm工況的隧道塑性區(qū)體積降低幅度約 5.4% 6m錨桿長度工況相對于3m工況的塑性區(qū)體積降低幅度約 3.2% ；3m注漿厚度工況相對于0.6m工況的塑性區(qū)體積降低幅度約 1.6% 。這說明增大噴射混凝土層厚、錨桿長度及注漿厚度能從一定程度上改善圍壓的塑性區(qū)分布，但相對于噴射混凝土層厚，提升錨桿長度和注漿厚度對塑性區(qū)的作用有限。

3.3.3支護應力及安全系數

隨著噴射混凝土層厚的增大，初期支護結構承擔更多的圍巖變形導致初支壓應力逐漸增大，二襯壓應力小幅增大，二襯安全系數不斷提高。表明增大噴射混凝土層厚能降低二襯開裂風險，提高支護結構的安全儲備。隨著錨桿長度和注漿厚度的增大，初支壓應力和二襯壓應力小幅減小，二襯安全系數小幅度增加。相較提升噴射混凝土厚度而言，增長錨桿和增大注漿厚度對支護結構應力和安全系數的影響較小。因此，工程設計和施工過程中應優(yōu)先考慮增大噴射混凝土厚度以提升初支剛度和承載能力，減小二襯承受荷載，提升支護結構的整體安全儲備，降低隧道變形和失穩(wěn)破壞風險。

3.4 支護建議

大觀亭隧道地形起伏大，埋深落差大，地質構造復雜，圍巖多為結構面發(fā)育的層狀軟巖，存在多處高地應力一巖體破碎段及地形地質過渡段。針對大觀亭隧道具體情況，基于“針對性、綜合性、經濟性原則，提出軟巖段支護建議如下：

（1）高、低地應力過渡段，隧道容易產生應力集中，應加強拱腰、拱腳等多個關鍵部位的錨桿支護。

（2）對于易發(fā)生由層狀巖體彎曲引起的大變形破壞的隧道段，應對可能產生大變形的部位加強支護措施。

（3）對于不同變形程度及地質情況的隧道段，應根據具體情況采取針對性的支護措施，可考慮采取長短錨桿結合的方式進行支護，保障安全的同時提高經濟效益。

（4）對于塑性區(qū)發(fā)育的高地應力軟巖隧道段，應加強鋼拱架的剛度和密度，以提高初期支護強度。

4結語

本文以大觀亭隧道軟巖段為研究對象，開展室內力學試驗研究隧址區(qū)層狀千枚巖的力學特性，采用數值分析方法研究開挖施工及支護參數對隧道變形和支護受力的影響，并結合工程實際提出具有針對性的支護建議。主要結論如下：

（1）室內力學試驗結果表明，水對隧址區(qū)巖體具有較強的軟化作用，巖體強度表現出明顯的各向異性特征，巖樣強度和強度參數隨層理傾角的增大呈現先減小后增大的變化規(guī)律。工程中需注重隧道地下水防護和巖層傾角不利地段的支護加固。

（2）分析隧道開挖全過程的數值模擬結果可知，掌子面開挖至監(jiān)測斷面前，洞周圍巖受前期開挖影響已產生較大變形，斷面上臺階開挖時圍巖變形速率最快。故在開挖工序完成后應及時采取初期支護措施控制圍巖變形。

（3）增大噴射混凝土層厚、錨桿長度及注漿厚度能從一定程度上控制圍巖變形、減小塑性區(qū)體積、降低結構應力并提高結構安全系數。各措施根據不同情況具有不同的作用效果。

（4）針對大觀亭隧道具體情況，根據“針對性、綜合性、經濟性”原則，提出了適用于不同地質隧道段的軟巖段支護建議。

參考文獻

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