微風(fēng)化巖體山區(qū)公路隧道圍巖支護研究

羅昌宏

(湖北交投鄂西高速公路建設(shè)管理有限公司，湖北 恩施 445000)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，隧道工程建設(shè)規(guī)模不斷增大，所面臨的地質(zhì)、環(huán)境情況也越來越復(fù)雜，在隧道施工過程中，圍巖變形情況與施工安全性及隧道穩(wěn)定性密切相關(guān)，因此圍巖變形因素與控制方法一直是國內(nèi)外研究人員的關(guān)注重點。

其中杜文通過對實際工程中隧道平緩泥沙巖互層圍巖變形對支護的破壞現(xiàn)象進行研究，分析了平緩砂泥巖互層圍巖變形機理，得出了造成圍巖變形的三個因素，即巖層分布狀態(tài)、空間因素和時間因素；沙鵬等針對特殊的非線性大變形破壞現(xiàn)象，將現(xiàn)場實測、模型試驗以及數(shù)值模擬結(jié)果進行了綜合分析，研究了層片狀圍巖的結(jié)構(gòu)大變形的破壞機制，并提出了相應(yīng)的支護措施；李干依托實際隧道工程，對其工程特性和變形機理進行分析，研究了高預(yù)緊力恒阻錨索在深埋薄層板巖隧道中對圍巖的控制機理，并提出了非對稱高預(yù)緊力恒阻錨索支護策略；王云龍通過詳細研究板巖的工程性質(zhì)來探究板巖隧道施工中工程問題的發(fā)生機理，進而對隧道的支護參數(shù)及施工方法進行詳細優(yōu)化；劉平等實際隧道為研究背景，結(jié)合數(shù)值模擬對比研究，對不同因素對圍巖變形破壞機制的影響規(guī)律及各因素影響敏感程度進行研究，并給出了相應(yīng)工程建議措施。周黎采用多種研究方法對施工期隧道圍巖的時效變形及變形影響因素進行了較系統(tǒng)和深入的研究；卜明慧以實際隧道工程為研究對象，對隧道圍巖結(jié)構(gòu)變形的相關(guān)因素進行了分析與研究；周凱分析了不同施工方案下的隧道斷層處斷面圍巖變形、應(yīng)力釋放和塑性區(qū)分布情況，分析了斷層斷面圍巖的穩(wěn)定性；Jeon，Ji研究了隧道開挖過程中隧道圍巖損傷的影響因素；朱浩波等利用數(shù)值模擬的方法，隨圍巖變形隨支護結(jié)構(gòu)施作時機、支護結(jié)構(gòu)厚度、圍巖彈性模量和隧道埋深四種因素的變化規(guī)律進行了系統(tǒng)分析。李偉平從國內(nèi)施工情況與存在問題入手，對引起隧道大變形的原因進行分析，并總結(jié)出控制隧道大變形的兩大關(guān)鍵點，即選擇合適的施工方法和采取有效控制措施；朱炯等針對運營期公路隧道常見軟弱圍巖和、淺埋偏壓兩種情況分別建立計算模型，研究了結(jié)構(gòu)折減系數(shù)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)的相互關(guān)系，并通過襯砌結(jié)構(gòu)的極限應(yīng)變分布規(guī)律研究結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，對運營期公路隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞模式進行分析。

綜上所述，國內(nèi)外許多專家針對圍巖變形問題進行了大量研究工作，但仍需深入研究。因此，本文利用數(shù)值模擬方法，研究了圍巖變形與噴射混凝土厚度噴射混凝土強度之間的關(guān)系。

1 工程概況

分水嶺隧道隧址區(qū)橫跨宣恩縣及鶴峰縣之間的分水嶺林場附近，為雙向四車道高速公路隧道，隧道設(shè)計速度為80 km/h。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆探揭露，隧址區(qū)出露(揭露)巖體主要為石炭系黃龍組(Chn)砂巖；泥盆系中上統(tǒng)(D)泥巖、砂巖、石英砂巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r等；志留系上統(tǒng)紗帽組(Ss)薄～中厚層層狀砂巖，巖層呈整合接觸。隧址區(qū)地下水不發(fā)育，地下水主要為基巖裂隙水，地下水沿裂隙網(wǎng)絡(luò)排入地下。

2 數(shù)值模型構(gòu)建及參數(shù)選定

本模型采用PLAXIS 3D有限元軟件對分水嶺隧道某典型區(qū)段進行模擬分析，為盡量避免邊界效應(yīng)影響，建模尺寸選取為80 m×90 m×60 m(××)，為水平方向，為隧道軸線方向，為豎直方向。開挖時從=0界面沿軸正向開挖。數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計算模型

模型地層自上至下依次為微風(fēng)化灰?guī)r、微風(fēng)化泥灰?guī)r、微風(fēng)化泥巖、微風(fēng)化砂巖和微風(fēng)化泥灰?guī)r，各地層材料采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進行模擬，襯砌及錨桿材料采用線彈性模型進行模擬，具體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層和材料參數(shù)

3 計算工況及結(jié)果分析

為分析不同支護參數(shù)對隧道圍巖變形的影響，計算工況設(shè)計如表2所示。

表2 計算工況設(shè)計

表2(續(xù))

3.1 不同噴射混凝土厚度對隧道圍巖變形的影響

為分析噴射混凝土厚度變化對圍巖變形的影響，依據(jù)表2中所設(shè)計的工況進行模擬計算，計算結(jié)果如圖2、圖形所示。

圖2 拱頂沉降值

從圖2中可以看出，隧道圍巖拱頂沉降值與噴射混凝土厚度呈反比，隨著噴射混凝土厚度的增加，隧道圍巖拱頂沉降值逐漸減小。在噴射混凝土強度固定時，噴射混凝土厚度由0.3 m增加至0.4 m，隧道拱頂沉降值減少了約3.5 mm；噴射混凝土厚度由0.4 m增加至0.5 m，隧道拱頂沉降值減少了約4 mm。增加噴射混凝土厚度對降低拱頂沉降效果較為明顯。

圖3 拱底回彈值

從圖3中可以看出，隧道圍巖拱底回彈值與噴射混凝土厚度呈反比，隨著噴射混凝土厚度的增加，隧道圍巖拱底回彈值逐漸減小。在噴射混凝土厚度固定時，噴射混凝土厚度由0.3 m增加至0.4 m，隧道拱底回彈值減少了約0.5 mm；噴射混凝土厚度由0.4 m增加至0.5 m，隧道拱頂隆起值減少了約1.5 mm。增加噴射混凝土厚度對降低拱底回彈值效果不明顯。

3.2 不同噴射混凝土強度對隧道圍巖變形的影響

為分析噴射混凝土強度變化對圍巖變形的影響，依據(jù)表2中所設(shè)計的工況進行模擬計算，計算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 拱頂沉降值

從圖4中可以看出，隧道圍巖拱頂沉降值與噴射混凝土強度呈反比，隨著噴射混凝土強度的增加，隧道圍巖拱頂沉降值逐漸減小。在噴射混凝土厚度固定時，噴射混凝土強度由20 GPa增加至30 GPa，隧道拱頂沉降值減少了約9 mm；噴射混凝土強度由30 GPa增加至40 GPa，隧道拱頂沉降值減少了約5.3 mm。增加噴射混凝土厚度對降低拱頂沉降效果明顯。

圖5 拱底回彈值

從圖5中可以看出，隧道圍巖拱底回彈值與噴射混凝土強度呈反比，隨著噴射混凝土強度的增加，隧道圍巖拱底回彈值逐漸減小。在噴射混凝土厚度固定時，噴射混凝土強度由20 GPa增加至30 GPa，隧道拱底回彈值減少了約2 mm；噴射混凝土厚度由30 GPa增加至40 GPa，隧道拱底回彈值減少了約1.5 mm。增加噴射混凝土厚度對降低拱底回彈值效果不明顯。

4 結(jié) 論

(1)在隧道圍巖噴射混凝土強度一定時，隧道噴射混凝土厚度與隧道圍巖拱頂沉降值和拱底回彈值均成反比，增加噴射混凝土厚度對降低拱頂沉降效果較為明顯，對降低拱底回彈效果不明顯。

(2)在隧道圍巖噴射混凝土厚度一定時，隧道噴射混凝土強度與隧道圍巖拱頂沉降值和拱底回彈值均成反比，增加噴射混凝土厚度對降低拱頂沉降效果明顯，對降低拱底回彈值效果不明顯。

(3)在隧道開挖過程中，提高圍巖噴射混凝土強度與厚度對于改善隧道拱頂?shù)某两祮栴}有較好效果，但對于改善隧道拱底回彈效果一般。