不同噴射混凝土厚度對隧道圍巖變形影響分析

孫潤方， 楊 凱， 晏啟祥， 蒲同體， 萬 斐

(1. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031；2. 中鐵二局第一工程有限公司，貴州貴陽 550007)

根據(jù)“新奧法”理論，隧道初期支護中重要的一項工序為噴射混凝土，它具有快速施作、早期強度高、與圍巖粘結(jié)緊密等優(yōu)點。隧道開挖后能及時施做噴射混凝土支護，起到封閉巖面、防止圍巖風化松動、填充坑洼、提高圍巖的整體性發(fā)揮自身結(jié)構(gòu)的能力。根據(jù)前人研究[1-2]，噴射混凝土厚度對圍巖及自身有一定影響，噴層越厚，初始承載力提高，柔性下降，脆性增加，噴層易與圍巖脫離；噴層越薄，混凝土柔性增加，允許圍巖發(fā)生一定的變形，減輕二襯承載負荷[3-5]。因此，依托實際工程，研究不同噴射混凝土厚度對隧道的影響，選取25cm、27cm、30cm和32cm四種工況，采用數(shù)值模擬方法，對比其對隧道圍巖變形的影響。

1 工程概況

麗江至香格里拉鐵路位于云南省西北部，南起大麗鐵路麗江車站，向北跨越金沙江，經(jīng)小中甸至香格里拉，宗思隧道，全長2 205m，隧道最大埋深190m。隧址區(qū)處歐亞板塊和印度洋板塊相互碰撞匯聚形成的青藏高原東南緣之川滇菱形斷塊的西部邊界斷裂帶(金沙江-中甸斷裂帶)內(nèi)，屬我國著名的南北向地震帶南段之滇西地震帶，受其影響，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。

2 三維數(shù)值模型建立

采用FLAC3D建立基本數(shù)值模型并進行分析，計算模型橫向取90m(大于5倍洞徑)，豎直向上取至拱頂以上50m，其余埋深通過施加豎向荷載的方式來體現(xiàn)，豎直向下取40m，縱向取80m。考慮到模型具有對稱性，這里取模型的一半進行分析，底面及側(cè)面采用節(jié)點固定約束，模型及網(wǎng)格劃分見圖1。

圍巖采用三維實體單元，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型；初期支護采用殼(Shell)單元，錨桿采用三維錨索(Cable)單元，計算時考慮圍巖材料為各向同性。支護結(jié)構(gòu)計算模型見圖2。本次計算參數(shù)參考TB10003-2016《鐵路隧道設計規(guī)范》[2]、GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[3],取值見表1。噴射混凝土厚度取25cm、27cm、30cm和32cm，按照實際開挖步即三臺階開挖法進行開挖。

表1 模型材料物理力學參數(shù)

圖1 計算模型及網(wǎng)格劃分

圖2 錨桿及噴射混凝土

3 計算結(jié)果及分析

3.1 隧道貫通時圍巖位移

圖3為隧道貫通時，不同噴射混凝土厚度情況下隧道周邊的豎向位移等值線圖。由圖3知，四種工況中，隧道拱頂位置處的沉降最大，隨著噴射混凝土厚度增大，拱頂位移逐漸減小，說明較大的噴射混凝土厚度對于隧道拱頂處圍巖的變形有一定約束作用。

圖3 不同噴射混凝土厚度下模型豎向位移等值線

3.2 開挖時圍巖變形

圖4為不同工況下監(jiān)測斷面的拱頂沉降位移隨施工步的變化曲線。由圖4知，隧道開挖至監(jiān)測斷面之前，由于圍巖開挖卸荷，監(jiān)測斷面拱頂會發(fā)生先行沉降位移；當開挖面距監(jiān)測斷面約5m時，拱頂沉降位移迅速增加，當開挖到監(jiān)測斷面前方約2m時，拱頂沉降位移增速逐漸減?。恢信_階和下臺階開挖后，拱頂沉降繼續(xù)增長，其增長速率逐漸減??；當工作面與監(jiān)測斷面相距一定范圍時，沉降基本趨于穩(wěn)定，工作面繼續(xù)向前開挖，監(jiān)測斷面沉降逐漸趨于收斂。

圖4 不同混凝土厚度下的拱頂沉降位移曲線

混凝土厚度為25cm的拱頂沉降為431.8mm，混凝土厚度為27cm的拱頂沉降為428.5mm，約為混凝土厚度為25cm時的0.99倍；混凝土厚度為30cm的拱頂沉降為424.8mm，約為混凝土厚度為25cm時的0.98倍；混凝土厚度為32cm的拱頂沉降為423.2mm，約為混凝土厚度為25cm時的0.98倍。開挖至監(jiān)測斷面時，三種不同混凝土厚度下拱頂下沉釋放位移約占總位移的比例為34 %。

圖5、圖6分別為不同工況下上、下臺階水平位移隨施工步的變化曲線。

圖5 不同混凝土厚度時上臺階監(jiān)測點水平位移曲線

圖6 不同混凝土厚度時中臺階監(jiān)測點水平位移曲線

由圖5、圖6知，混凝土厚度為25cm時上臺階水平位移為211.6mm，混凝土厚度為27cm時上臺階水平位移為202.5mm，約為混凝土厚度為25cm時的0.96倍；混凝土厚度為30cm時上臺階水平位移為188.3mm，約為混凝土厚度為25cm時的0.89倍；混凝土厚度為32cm時上臺階水平位移為179.6mm，約為混凝土厚度為25cm時的0.85倍。混凝土厚度為25cm時中臺階水平位移為346.1mm，混凝土厚度為27cm時上臺階水平位移為336.1mm，約為混凝土厚度為25cm時的0.97倍；混凝土厚度為30cm時中臺階水平位移為321.7mm，約為混凝土厚度為25cm時的0.93倍；混凝土厚度為32cm時中臺階水平位移為312.5mm，約為混凝土厚度為25cm時的0.90倍。

將隧道最終的拱頂沉降位移、上臺階水平位移和中臺階水平位移提取并繪制不同工況下位移曲線，見圖7。由圖7知，隨著噴射混凝土厚度的增加，拱頂沉降位移、上臺階水平位移和中臺階水平位移逐漸降低，其中拱頂沉降位移降低值較小，上臺階水平位移和中臺階水平位移的顯著降低。這說明增加混凝土厚度對控制水平方向效果較好，對控制拱頂沉 降作用較小。

圖7 不同混凝土厚度時最大位移對比

4 結(jié)論

采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，研究了25cm、27cm、30cm和35cm四種不同噴射混凝土厚度對隧道圍巖的變形影響，主要結(jié)論如下：

(1)隧道貫通時，隨著噴射混凝土厚度增加，拱頂位移逐漸減小，較大的噴射厚度對于隧道拱頂處圍巖的變形有一定約束作用。

(2)開挖過程中，隨著隧道噴射混凝土厚度的增加，拱頂沉降位移、上臺階水平位移和中臺階水平位移逐漸降低，其中拱頂沉降位移降低值較小，上臺階水平位移和中臺階水平位移的顯著降低，增加混凝土厚度對控制水平方向變形效果較好，對控制拱頂沉降作用較小。