高地應力互層軟巖隧道支護方案與支護時機優(yōu)化

劉建勛

(中鐵十四局集團第三工程有限公司， 濟南 272100)

我國西部山區(qū)地質構造較為復雜，其中不乏互層或夾層等層狀軟巖，如某隧道沿線地層中，砂巖與千枚巖互層地層占總長的95%以上[1-2]。層狀結構巖體，其產(chǎn)狀有水平的或傾斜的，有單一的也有復雜多樣的[3-5]。層狀巖體中層面為主要結構面，結構面沿層面產(chǎn)生錯動帶，導致層面之間的連接力弱于其他巖體，有顯著的層狀組合特征[6-8]。深埋長大互層隧道的圍巖初始地應力很高，變形量大，巖體的流變特性就更加的明顯，增大了隧道修建的難度。

何永旺[9]通過對比不同因素下隧道二次襯砌承載性能，得出當巖性較差時可采用大矢跨比的仰拱結構，同時為保證隧道穩(wěn)定性建議采用側壓力系數(shù)(可選規(guī)范中的下限)；黃雄軍[10]針對某鐵路隧道二次襯砌結構病害，采用有限元軟件ANSYS對二次襯砌受力和配筋進行模擬分析，得出拱頂部位的實際配筋量不滿足構造配筋要求；田鵬[11]以大梁隧道為背景，對高地應力條件下軟巖隧道圍巖壓力作用規(guī)律及二襯受力特征進行研究，得出圍巖壓力呈現(xiàn)“兩側大，中間小”的分布規(guī)律，二次襯砌承擔45%～70.3%圍巖壓力；張新金[12]等以北京地鐵10號線三元橋站為例，從地表沉降和隧道結構內力兩方面對隧道橫通道開挖之前和之后施作二襯兩種方案進行分析，最終得出車站施工過程中，站廳隧道二襯應在橫通道開挖之前施作。

目前，國內關于高地應力的研究著重于施工技術和變形控制方面，關于二次襯砌施作時機的研究還較少。本文以甘肅尖山隧道為背景，通過數(shù)值模擬同時結合現(xiàn)場實際監(jiān)測的方式，對比不同支護方案和不同二襯支護時機下隧道變形與支護結構受力規(guī)律，得到適用于高地應力互層軟巖條件合理支護方案與支護時機，為相關工程提供借鑒。

1 工程背景

尖山隧道位于甘肅省白銀市平川區(qū)大營水至水泉鎮(zhèn)附近，穿越水泉尖山山脈。隧道起訖里程為DK 109+780～DK 115+750，全長5.97 km，最大埋深約519 m(DK 112+780)，主要包括志留系下馬溝營組變質砂巖夾千枚巖、砂巖夾片巖、板巖互層等，根據(jù)現(xiàn)場水壓致裂法所測地應力，水平最大主應力12.40 MPa，最大豎向主應力11.46 MPa。本文主要以DK 113+635～DK 113+735段為研究背景，該段軟巖主要多為砂巖與千枚巖呈互層分布，層狀傾角為70°左右，隧道通過此區(qū)域的長度為100 m，采用三臺階+臨時仰拱法開挖施工。

2 高地應力互層軟巖隧道支護方案與時機研究

2.1 計算模型與計算參數(shù)

根據(jù)尖山隧道工程概況和設計要求，運用軟件ANSYS建立隧道計算模型，運用軟件FLAC3D對隧道的開挖及支護進行計算。模型在X、Y、Z3個方向幾何尺寸為100 m×80 m×100 m，隧道采用三臺階+臨時仰拱法施工，其計算模型圖如圖1所示。圍巖物理力學參數(shù)和支護參數(shù)如表1所示。

圖1 三臺階臨時仰拱法示意圖

表1 圍巖與支護參數(shù)表

2.2 支護方案對比分析

支護方案有3種。方案一：原隧道斷面支護設計方案為每根錨桿長3.5 m，環(huán)向間距為1 m，縱向間距為1.2 m，彈性模量為45 GPa，橫截面積為1.57×10-3m2，屈服軸力為130 kN，呈梅花型布置。方案二：改變上臺階的錨桿長度，使用6 m長錨桿，加強對隧道的支護。方案三：在方案二的基礎上改變上臺階錨桿的角度，為便于在具體施工中錨桿的打入，且能夠更好的控制巖層的滑動，使上臺階左側錨桿與層狀巖層呈90°夾角，右側錨桿對稱分布，從而充分發(fā)揮錨桿的支護作用。各支護方案如表2所示。

表2 3種支護方案表

(1)隧道變形分析

為減少邊界對計算結果的影響，選取隧道中間斷面(Y=40 m)為監(jiān)測斷面，對隧道結構變形進行分析。不同錨桿支護方案下，隧道結構的豎向位移和水平收斂位移時呈曲線如圖2和圖3所示。

圖2 不同方案拱頂沉降圖

圖3 不同方案水平收斂圖

施工模擬過程中，需對圍巖及支護結構應力位移分量等進行監(jiān)測，考慮邊界效應帶來的影響，選取開挖段的中間斷面(Y=40 m)作為監(jiān)測斷面，測點布置如圖4所示。

圖4 模型測點布置圖

從圖2、圖3可以看出，在控制隧道變形上，方案三>方案二>方案一。拱頂沉降方面，采用錨桿支護方案一時，拱頂沉降為17.68 cm，方案二和方案三的拱頂沉降分別為14.05 cm和15.27 cm，減少幅度分別為20.53%和13.63%。水平收斂方面，采用支護方案一時，水平收斂為31.73 cm，方案二和方案三的水平收斂分別為28.68 cm和23.55 cm，減少幅度分別為9.61%和25.78%。

究其原因在于方案二在方案一的基礎上，通過對上臺階每根錨桿從3.5 m增長至6 m，錨桿對圍巖的控制區(qū)域增大，減少了更多的滑動面。較好的控制了隧道圍巖的變形，尤其對隧道拱頂沉降量的控制。方案三通過調整錨桿與互層之間的夾角，可以更好地限制層理之間的滑動，對控制隧道的水平收斂有很好的效果。

(2)錨桿軸力分析

3種錨桿支護方案錨桿軸力分布如圖5所示。

圖5 3種支護方案錨桿軸力圖(N)

在方案一錨桿支護方案中，最大錨桿軸力分布在左右拱肩部位，且左拱肩大于右拱肩。其中左拱肩有4根錨桿右拱肩有1根錨桿已達到錨桿的屈服軸力130 kN，當錨桿軸力達到屈服時，錨桿的支護能力減弱。這是由于高地應力互層軟巖隧道在開挖過程中，圍巖互層之間滑動力明顯，隧道位移變化大，因此錨桿受力也比較大，錨桿的最大軸力均發(fā)生在位移變形較大的區(qū)域。

當隧道錨桿支護方式采用方案二和方案三時，最大錨桿軸力也均分布在左右拱肩部位，且左拱肩大于右拱肩。其中當采用方案二時，左拱肩有2根錨桿達到屈服，當采用方案三時沒有錨桿達到屈服，且左拱肩的錨桿整體上受力更加均勻，能夠更加充分發(fā)揮錨桿的支護作用，有效的控制隧道圍巖的變形。

2.3 二襯施做時機對比分析

對于高地應力互層軟巖，圍巖比較松散且自承力相對較低，隧道開挖以后圍巖的變形比較明顯，圍巖的受力隨著隧道的開挖也在不斷地變化。因此，支護結構在隧道開挖時發(fā)揮著重要的作用，合理的支護時機可以發(fā)揮圍巖的自承能力和支護結構的調節(jié)能力，既可以提高施工效率又可以節(jié)約成本。

為了比較準確分析隧道在施做初期支護以后，圍巖的自承能力和初期支護結構的受力情況，通過模擬隧道變形達到極限位移(用λ表示)為85%、90%、95% 3種工況，根據(jù)不同支護時機對圍巖的變形和支護結構的受力情況，對各方案計算結果進行對比，選出最佳方案。

(1)隧道變形分析

不同二襯支護時機隧道結構關鍵部位位移變化對比如表3所示。

表3 不同二襯支護時機隧道變形表

由表3可知，隧道關鍵部位的位移變化值隨著λ的增大而增大。當λ從85%變化到90%時，隧道關鍵部位位移變化值的增長幅度在9.5%～16.15%之間，當λ從90%變化到95%時，位移變化值增長幅度在6.37%～7.30%之間。無論λ為何值，左拱肩增長幅度均為最大，高地應力互層軟巖隧道的變形大于其他常規(guī)隧道，且軟巖隧道的變形具有明顯的流變特性，隧道的變形是評價圍巖穩(wěn)定性的一個重要指標。因此當λ值達到85%時，隧道的變形還在持續(xù)變化，但變化值比較小，當λ達到95%時，隧道的變形逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)初期支護結構受力分析

不同二襯支護時機隧道支護結構關鍵部位位移變化對比受力如表4所示。

表4 不同二襯支護時機隧道初期支護結構受力表

由表4可知，隨著λ值增大，即二襯支護的時間越晚，初期支護結構所受到的最大壓應力和最大拉應力也越大。當λ從85%增加至90%時，最大壓應力增大率為8.78%，最大拉應力的增大率為44.44%，當λ從90%增加至95%時，最大壓應力增大率為19.72%，最大拉應力的增大率為92.31%。當λ從90%增加至95%時，初期支護受力增長的速度最快。最大拉應力值發(fā)生在拱腳附近，且初期支護結構拉應力值都未超過C25混凝土軸心抗拉強度。當λ為90%和95%時壓應力值超過了C25混凝土極限抗壓強度。究其原因在于二次襯砌支護的越晚，使得圍巖的承受能力越低，荷載將主要由初期支護結構承擔，因此初期支護結構所受到力越大。

(3)二次襯砌受力分析

3種不同二襯支護時機工況下，對監(jiān)測斷面的二襯壓力進行分析，二襯壓力分布包絡圖如圖6所示。

圖6 3種工況下二襯壓力分布包絡圖(MPa)

從圖6可以看出，隨著λ值增大，即二襯支護的時間越晚，二襯所受到的壓力越小。且受到水平地應力的影響，兩側的壓應力大于拱頂?shù)膲簯?。當λ值?5%時，二次襯砌所受到的最大壓應力為11.66 MPa；當λ值為90%時，二次襯砌所受到的最大壓應力為10.01 MPa，最大壓應力減小了14.15%；當λ值為95%時，二次襯砌所受到的最大壓應力為7.18 MPa，最大壓應力在上一個基礎上減小了28.27%。當λ從90%增加至95%時，二襯所受到的壓力減小的速度最快。

由于高地應力互層軟巖隧道的特殊性，隧道的變形和支護結構的受力往往比其他隧道要大。由于二次襯砌施做的時間越晚，二襯所要承擔的荷載就越小，但此時初期支護受力反而更大，則隧道的變形更大。高地應力互層軟巖隧道由于圍巖自身的承載能力比較差，隧道施工過程中變形比較大，二襯往往要承擔一部分變形，因此二襯需要承擔一部分壓力，才能更好的控制隧道的變形。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

對每個監(jiān)測斷面的拱頂沉降和水平收斂進行監(jiān)測，共3個監(jiān)測點，如圖7所示，每個監(jiān)測斷面的距離為10 m。

圖7 隧道變形監(jiān)測點布置圖

選取DK 113+655～DK 113+715段進行監(jiān)測，每個監(jiān)測斷面距離為10 m，監(jiān)測斷面隧道變形統(tǒng)計如表5所示。

表5 隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)表

由監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得出：

(1)隧道總體變形量較大，且水平收斂大于拱頂沉降，監(jiān)測斷面的平均累計拱頂沉降量達86 mm，平均累計水平收斂值達196.57 mm。

(2)根據(jù)表5現(xiàn)場隧道變形監(jiān)測結果，對比圖4數(shù)值模擬分析可知：數(shù)值模擬結果略小于現(xiàn)場監(jiān)測結果，但兩者整體規(guī)律基本保持一致，表明數(shù)值模擬結果準確，具有一定的借鑒意義。

4 結論

本文研究了高地應力互層軟巖隧道的變形控制措施，對不同的控制措施進行數(shù)值模擬計算，主要從錨桿支護方式及二襯施作時機等方面進行分析，對比在不同控制措施下隧道的變形和支護結構的受力情況，選取每種控制措施下最佳方案并得到以下結論：

(1)通過對高地應力互層軟巖隧道提出3種支護方案，對3種支護方案進行對比分析得出，采用方案一時，其中有5根錨桿達到了屈服，方案三可以更好的減少層理間的滑動，并且錨桿的受力也更加的均勻，可以充分發(fā)揮錨桿的支護作用，控制隧道的變形。

(2)通過對3種二襯支護時機λ值(隧道變形達到極限變形的85%、90%和95%)的對比分析得出，當λ值為90%時，使初期支護結構和二襯結構共同發(fā)揮作用，更好的控制高地應力互層軟巖隧道的變形。

(3)通過對3種二襯支護時機λ值(隧道變形達到極限變形的85%、90%和95%)的對比分析得出，當λ值從90%增加至95%時，初期支護結構受力增長率與二次襯砌受力減小率均明顯大于λ值從85%增加至90%時幅度，考慮到二襯需要承擔一部分壓力，才能更好的控制隧道的變形，故綜合考慮建議λ值為90%。

(4)通過對比現(xiàn)場隧道變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并與數(shù)值模擬計算結果進行對比，結果表明雖然數(shù)值模擬結果略小于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，但結果相對可靠且對施工具有一定指導意義。