復(fù)理巖隧道初期支護(hù)噴射混凝土厚度優(yōu)化研究

任一凡，張 念，2

(1.太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院，太原 030024；2.太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024)

軟巖大變形問題從20世紀(jì)60年代就作為世界性難題被提了出來，在地下工程的建設(shè)過程中，軟巖大變形問題一直是困擾工程建設(shè)和運(yùn)營的重大難題之一，直接影響著工程安全和人身安全[1-2]。軟巖大變形破壞特征包括：(1)變形破壞方式多；(2)變形量大；(3)變形速度快；(4)持續(xù)時(shí)間長；(5)圍巖擾動范圍大(6)壓力增長快[3]。隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，在不良地質(zhì)和復(fù)雜環(huán)境下修建隧道的情況也越來越多，軟巖隧道大變形的工程實(shí)例在我國隧道工程中已屢見不鮮，圍巖發(fā)生大變形后導(dǎo)致初期支護(hù)扭曲、破壞、侵限、坍塌等問題，嚴(yán)重影響施工的正常進(jìn)行，甚至造成隧道二次襯砌開裂破壞，對隧道結(jié)構(gòu)安全造成極大威脅，而且工程治理費(fèi)用高昂[4-8]。

復(fù)理巖(flysch)是一種特殊的海相沉積巖，由砂巖、頁巖、泥巖等巖體交替構(gòu)成互層結(jié)構(gòu)，單層薄，而累積厚度大，在歐洲和我國南方地區(qū)較為常見，這種圍巖在干燥狀態(tài)下強(qiáng)度較高，開挖后隧道穩(wěn)定性較好，但如果遇水，則強(qiáng)度迅速喪失，圍巖會發(fā)生較大變形[9]。本文研究歐洲某高速公路隧道，研究對象處于復(fù)理巖互層結(jié)構(gòu)地質(zhì)條件下，隧道圍巖等級為V級，巖性為砂巖、頁巖等多種巖體共同組成的復(fù)雜巖體，呈互層狀產(chǎn)出，具有膨脹性，遇水易軟化變形，易風(fēng)化。因此研究該段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變化特征，優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)尤為重要。選取復(fù)理巖互層結(jié)構(gòu)地質(zhì)條件下的該隧道某典型斷面進(jìn)行研究,分析不同初期支護(hù)噴射混凝土厚度對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響程度，從而對初期支護(hù)噴射混凝土厚度進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

本文以歐洲某高速公路隧道為研究對象，該隧道位于山嶺地帶，海拔(1 000～1 200)m，項(xiàng)目區(qū)為復(fù)理巖地層，地質(zhì)條件復(fù)雜，巖性多樣，埋深大，特殊不良地質(zhì)處治難度大，施工過程中大變形、塌方、突水涌泥等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高。洞口段主要為坡積體和沖積層，多呈散體結(jié)構(gòu)，土體及圍巖自穩(wěn)性差，開挖過程中不及時(shí)支護(hù)或支護(hù)不當(dāng)易產(chǎn)生較大規(guī)模的坍塌。

該隧道為一座兩車道分離式隧道，左右幅隧道凈距離30 m，累計(jì)總長5 169 m.左幅隧道起止點(diǎn)樁號為LK26+512.92～LK29+174.92，分界段全長2 662 m，隧道所在路段縱坡為1.95%，隧道最大埋深約為239.57 m；右幅隧道起止點(diǎn)樁號為RK26+724.6～RK29+231.6，分界段全長2507 m，隧道所在路段縱坡為1.95%，隧道最大埋深約為239.25 m.隧道洞身局部地質(zhì)縱斷圖如圖1所示。

圖1 隧道洞身局部地質(zhì)縱斷圖

選取復(fù)理巖地質(zhì)特征較為明顯且處于巖性最差地段的某斷面進(jìn)行具體分析，研究斷面隧道跨度為12.2 m，高10.5 m，埋深約為60 m，圍巖等級為V級。結(jié)合隧道工程地質(zhì)資料和原設(shè)計(jì)方案，采用上下臺階法開挖，開挖進(jìn)尺為1 m，臺階長度5 m，初期支護(hù)采用強(qiáng)度為C30的噴射混凝土和4 m長的錨桿。

2 有限元計(jì)算模型的建立及參數(shù)選取

2.1 模型建立

參考該隧道地質(zhì)概況對研究斷面進(jìn)行建模，隧道輪廓由CAD工程設(shè)計(jì)圖紙直接導(dǎo)入Midas GTS NX中，建模完成后導(dǎo)入FLAC 3D進(jìn)行計(jì)算[10]。設(shè)定隧道拱頂點(diǎn)為原點(diǎn)，埋深60 m，左右邊界和下邊界都取60 m，圍巖層理傾角為0°，砂巖、頁巖交互，互層厚度取0.4 m，網(wǎng)格參數(shù)交互設(shè)定來模擬互層結(jié)構(gòu)，模型沿開挖縱向長度取20 m(取10 m處為研究斷面)，初期支護(hù)采用實(shí)體單元建立，施工順序設(shè)定為先噴后錨。為分析不同噴射混凝土厚度對隧道變形的影響程度，結(jié)合原設(shè)計(jì)方案，分別建立噴射混凝土厚度為20 cm、25 cm和30 cm的三個模型進(jìn)行對比，模型單元網(wǎng)格數(shù)量分別為341 280、338 680、338 640，由外到內(nèi)遞進(jìn)播種，隧道輪廓周邊網(wǎng)格尺寸為0.4 m，建立如圖2所示的互層模型。

圖2 0.4 m厚互層模型(局部)

2.2 參數(shù)選取

參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》并結(jié)合該隧道工程地質(zhì)資料和原設(shè)計(jì)方案，采用臺階法施工，開挖進(jìn)尺1 m，支護(hù)較開挖滯后一步，先噴后錨，臺階長度5 m(此次建模不考慮開挖仰拱)，噴射混凝土強(qiáng)度取C30，錨桿長度4 m，有限元模型計(jì)算參數(shù)如表1所示。通過設(shè)置關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)實(shí)施監(jiān)測，并結(jié)合實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，9個監(jiān)測點(diǎn)按圖3布置。

表1 模型計(jì)算參數(shù)表

圖3 監(jiān)測點(diǎn)位置

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 圍巖總位移分析

選定模型中隧道縱深10 m處為研究斷面，為分析不同噴射混凝土厚度對圍巖變形的影響程度，初期支護(hù)參數(shù)控制單一變量，噴射混凝土強(qiáng)度C30和錨桿長度4 m不變。不同混凝土厚度工況開挖完畢圍巖總位移云圖如圖4所示。

圖4 圍巖總位移云圖

通過觀察三種工況的圍巖總位移云圖，可以看出該隧道拱腳和邊墻處圍巖總位移最大，當(dāng)噴射混凝土厚度為20 cm時(shí)，隧道周邊圍巖最大總位移為152 mm；噴射混凝土厚度為25 cm時(shí)，隧道周邊圍巖最大總位移為118 mm；噴射混凝土厚度為30 cm時(shí)，隧道周邊圍巖最大總位移為108 mm.噴射混凝土厚度從20 cm增加到25 cm，隧道周邊圍巖最大總位移降低了22.4%；噴射混凝土厚度從25 cm增加到30 cm，隧道周邊最大總位移降低了8.5%，如表2所示。結(jié)果表明，隨著噴射混凝土厚度的增加，圍巖總位移值降低幅度變小，結(jié)合該斷面圍巖位移現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)效益，參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和原設(shè)計(jì)方案，噴射混凝土厚度選擇25 cm更優(yōu)。

表2 圍巖總位移變化一覽表

3.2 初支結(jié)構(gòu)變形量分析

選定模型中隧道縱深10 m處為研究斷面，分別提取噴射混凝土厚度20 cm、25 cm和30 cm三種工況監(jiān)測點(diǎn)處噴射混凝土變形總位移值，繪制圖5所示的散點(diǎn)圖進(jìn)行對比。

圖5 不同噴射混凝土厚度下支護(hù)結(jié)構(gòu)總位移對比

觀察圖5，通過對比噴射混凝土厚度為20 cm、25 cm和30 cm三種工況噴射混凝土變形值可以看出，該隧道三種工況支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律相似，最大位移都出現(xiàn)在監(jiān)測點(diǎn)2和8，即邊墻處，因此在實(shí)際工程中設(shè)計(jì)和施作支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此部位，必要時(shí)需采取一定的額外手段進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。當(dāng)噴射混凝土厚度為20 cm時(shí)，其最大變形量為99 mm；噴射混凝土厚度為25 cm時(shí)，其最大變形量為82 mm；噴射混凝土厚度為30 cm時(shí)，其最大變形量為71 mm.噴射混凝土厚度從20 cm增加到25 cm，最大變形量降低了17.2%；噴射混凝土厚度從25 cm增加到30 cm，最大變形量降低了13.4%，如表3所示。

表3 初期支護(hù)最大變形量一覽表

拱頂處噴射混凝土變形量相對最小，當(dāng)噴射混凝土厚度為20 cm時(shí)，拱頂沉降為64 mm；噴射混凝土厚度為25 cm時(shí)，拱頂沉降為54 mm；噴射混凝土厚度為30 cm時(shí)，拱頂沉降為48 mm.噴射混凝土厚度從20 cm增加到25 cm，拱頂沉降值降低了15.6%；噴射混凝土厚度從25 cm增加到30 cm，拱頂沉降值降低了11.1%，如表4所示。

表4 初支拱頂沉降變化一覽表

結(jié)果表明，隨著噴射混凝土厚度的增加，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量的降低幅度也越來越小，結(jié)合該斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)位移現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)效益，并參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和原設(shè)計(jì)方案，噴射混凝土厚度選擇25 cm更優(yōu)。

3.3 錨桿軸力分析

選定模型中隧道縱深10 m處為研究斷面，為分析不同噴射混凝土厚度對錨桿軸力大小的影響，分別提取三種工況下的錨桿最大軸力值進(jìn)行對比，如表5所示。

表5 錨桿軸力變化一覽表

觀察表5，對比噴射混凝土厚度分別為20 cm、25 cm和30 cm時(shí)的錨桿最大軸力值可以看出，當(dāng)噴射混凝土厚度為20 cm時(shí)，錨桿最大軸力為76.0 kN；噴射混凝土厚度為25 cm時(shí)，錨桿最大軸力為62.0 kN；噴射混凝土厚度為30 cm時(shí)，錨桿最大軸力為52.9 kN.噴射混凝土厚度從20 cm增加到25 cm，錨桿最大軸力降低了18.4%；噴射混凝土厚度從25 cm增加到30 cm，錨桿最大軸力降低了14.7%.

結(jié)果表明，隨著噴射混凝土厚度的增加，錨桿軸力的降低幅度也越來越小，結(jié)合該斷面錨桿軸力值現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)效益，并參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和原設(shè)計(jì)方案，噴射混凝土厚度選擇25cm更優(yōu)。

4 結(jié)論

本文以歐洲某高速公路隧道的修建為依托工程，選取其中處于復(fù)理巖互層結(jié)構(gòu)地質(zhì)條件下的該隧道某典型斷面進(jìn)行研究，采用數(shù)值模擬分析手段，運(yùn)用有限元軟件Midas GTS NX建立模型，并導(dǎo)入FlAC3D中進(jìn)行計(jì)算，綜合對比噴射混凝土厚度為20 cm、25 cm和30 cm三種工況下圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)位移變化規(guī)律和錨桿軸力變化規(guī)律，得出如下結(jié)論：

(1)隨著噴射混凝土厚度的增加，隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)位移值降低幅度越來越小，錨桿軸力減小幅度也越來越??；

(2)該0°傾角互層圍巖隧道研究斷面，拱頂處總位移值最小，邊墻處總位移值最大，且邊墻處沉降值也大于拱頂，因此在實(shí)際工程中設(shè)計(jì)和施作支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此部位，必要時(shí)需采取一定的額外手段進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，避免大變形隧道失穩(wěn)；

(3)綜合分析數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)、《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定、原設(shè)計(jì)方案和類似工程案例經(jīng)驗(yàn)類比，該隧道研究斷面初期支護(hù)噴射混凝土厚度選取25 cm更優(yōu)。