高小社

(中鐵二十局集團(tuán)路橋工程公司，陜西 西安 710016)

0 引言

近幾十年來，隨著世界經(jīng)濟(jì)和社會快速發(fā)展，世界上各種用途的隧道工程建設(shè)開始向深部發(fā)展[1]。隨著深度的增加，圍巖存在高地應(yīng)力、高水壓、高溫度的特點(diǎn)，深部巖體應(yīng)力分布更加復(fù)雜，致使其支護(hù)也更加困難，從而造成工程造價大大提高，工期延長，以致發(fā)生塌頂塌方坍方事故，給工程的建設(shè)及正常使用帶來了很大的影響[2-6]。

為了使深部隧道圍巖穩(wěn)定，本文主要是通過數(shù)值模擬的手段，開展了深部隧道支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 標(biāo)準(zhǔn)模型參數(shù)選擇

參考工程地質(zhì)勘測報告，本次數(shù)值分析主要是分析Ⅳ類巖石，其物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

在本次數(shù)值模擬中錨桿型號為φ20×2 000 mm，間排距為700 mm×700 mm，錨固力200 kN。錨桿采用高強(qiáng)樹脂錨桿，Z2335樹脂藥卷，每孔3卷樹脂藥;金屬網(wǎng)為:φ6 mm，網(wǎng)格80 mm×80 mm鋼笆焊接網(wǎng)，網(wǎng)搭接100 mm;噴射混凝土強(qiáng)度為C20，噴漿厚度為150 mm。錨索長度取12 m?；炷亮吓浜媳葹樗唷蒙啊檬?1∶2∶2(體積比)，噴混凝土?xí)r速凝劑摻量為水泥重量的2.5%～4%。圖1是位移測點(diǎn)分布圖，共監(jiān)測4個有代表性的隧道位置，它們分別是頂?shù)装搴蛢蓭汀?/p>

表1 巖石物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 標(biāo)準(zhǔn)模型的網(wǎng)格劃分

從理論分析可知，隧道對圍巖中應(yīng)力分布影響范圍一般是隧道半徑的3倍～5倍，寬度取一個循環(huán)進(jìn)尺，故取計算模型尺寸為長×寬×高=40 m×2 m×30 m。網(wǎng)格劃分時，為了提高程序運(yùn)行的有效性和節(jié)約運(yùn)行時間，在隧道周圍劃分比較密，單元總數(shù)9 300。模型上邊界施加邊界荷載p=25 MPa來模擬垂直方向應(yīng)力，模型其他三個邊界為位移約束，見圖2。

圖1 位移測點(diǎn)分布圖

圖2 計算模型邊界條件圖（單位：m）

2 數(shù)值結(jié)果分析

2.1 無支護(hù)隧道穩(wěn)定性分析

從圖3，圖4可知:位移總體上是向隧道中心偏移，并且隧道的底板出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象;深部隧道在高應(yīng)力作用下頂?shù)装寮皟蓭臀灰品謩e是284 mm，139 mm，204 mm和193 mm，隧道產(chǎn)生的變形整體比較大。

由圖5，圖6可以看出，隧道開挖以后圍巖表面沒有法向的力，并且隨著離隧道距離越遠(yuǎn)，法向應(yīng)力越大，影響越來越小;深部隧道在沒有采取任何加固措施的作用下塑性破壞非常嚴(yán)重，尤其是拱腳和底角部分。因此，深部隧道開挖后要及時采取有效加固措施，確保隧道安全、快速掘進(jìn)。

2.2 有支護(hù)隧道穩(wěn)定性分析

深部圍巖由于受到“三高”影響，變形量非常大，如不及時采取有效的加固方式，隧道不可能穩(wěn)定，但深部隧道的加固與淺部隧道加固有明顯不同，現(xiàn)通過對幾種支護(hù)方式進(jìn)行數(shù)值分析，其結(jié)果可以為深部隧道支護(hù)提供參考。

本次數(shù)值模擬方案有以下幾種:

1)錨桿支護(hù);

2)錨桿、錨索組合支護(hù);

3)錨桿、錨索、襯砌組合支護(hù)。

圖3 無支護(hù)位移失量圖

圖4 無支護(hù)頂?shù)装鍍蓭臀灰魄€

圖5 無支護(hù)最大主應(yīng)力等高線圖

圖6 無支護(hù)最小主應(yīng)力等高線圖

表2是不同支護(hù)形式的頂?shù)装寮皟蓭臀灰魄闆r，從表2中分析可以知道:無支護(hù)時變形量比較大，最大是拱頂位移，達(dá)到284 mm，通過支護(hù)的隧道4個測點(diǎn)位移都有不同程度的減小，能起到加固圍巖的作用，加固效果最好的是錨桿、錨索、襯砌組合支護(hù)，它的4個測點(diǎn)的位移量分別比無支護(hù)的位移量減少36%，52%，53%，25%，但底板的變形量還是比較大。由于在底板沒有采用相應(yīng)的支護(hù)措施，所以底板的變形量減少不大，因此，為了治理好底鼓，還要進(jìn)一步對底板采取加固措施。

表2 不同支護(hù)形式4個測點(diǎn)位移量 mm

圖7是不同支護(hù)形式最大主應(yīng)力云圖。

從圖7可以看出:沒有支護(hù)的隧道在隧道表面周圍的一定范圍內(nèi)幾乎沒有垂直應(yīng)力，采用支護(hù)的隧道，除了在底板有很少部分出現(xiàn)很小的垂直應(yīng)力外，支護(hù)形式從錨桿支護(hù)到錨桿、錨索、襯砌組合支護(hù)，隧道表面圍巖的垂直應(yīng)力越來越大，這說明錨桿、錨索、襯砌組合支護(hù)支護(hù)效果最好。

圖7 不同支護(hù)形式的最大主應(yīng)力等高線圖

3 結(jié)語

利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D模擬了無支護(hù)，錨桿支護(hù)，錨桿、錨索組合支護(hù)，錨桿、錨索、襯砌組合支護(hù)加固隧道的效果，得到如下結(jié)果:

1)無支護(hù)時位移總體上是向隧道中心偏移，變形量比較大，并且隧道的拱底出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，位移最大是頂板。

2)經(jīng)過支護(hù)的隧道，頂?shù)装寮皟蓭臀灰贫加胁煌潭鹊臏p小，能起到加固圍巖的作用，加固效果最好的是錨桿、錨索、襯砌組合支護(hù)，但拱頂、底板的變形量還是比較大。

[1] 于海軍，陳智強(qiáng)，姜春雨.深埋長大隧道圍巖破壞能量釋放數(shù)值模擬[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，30(5):657-660.

[2] 劉泉聲，高 瑋，袁 亮.煤礦深部巖巷穩(wěn)定控制理論與支護(hù)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2010.

[3] 趙 勇，劉建友，田四明.深埋隧道軟弱圍巖支護(hù)體系受力特征的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30(8):1663-1670.

[4] 陳 浩，任偉中，李 丹，等.深埋隧道錨桿支護(hù)作用的數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2011，32(S1):719-725.

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