榮 耀，王春陽，孫 洋，毛夢蕓

(1.江西省交通科學研究院，江西 南昌 330052；2.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074)

基于數值分析與現場試驗的破碎帶支護參數優(yōu)化

榮 耀1，王春陽2，孫 洋1，毛夢蕓1

(1.江西省交通科學研究院，江西 南昌 330052；2.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074)

為了控制圍巖的變形，確保施工的安全，結合船頂隘隧道在穿越斷層破碎帶時出現的變形過大，局部出現塌方的現象，提出了減小鋼拱架間距增加初支強度的支護方案，并選取了兩組方案進行對比分析研究。先通過數值模擬對鋼拱架和錨桿分別進行了計算，然后在現場監(jiān)測試驗中，選取了兩組試驗段，對兩種不同的支護參數下的圍巖變形、噴射混凝土壓力、鋼拱架應力以及初支圍巖壓力進行現場監(jiān)控量測，驗證了支護優(yōu)化的可行性。研究表明：在斷層破碎帶初支參數優(yōu)化中，錨桿支護效果不理想，而鋼拱架的作用明顯，對圍巖大變形起到了良好的控制作用。由此可知通過加密鋼拱架來增加初支強度，適當弱化錨桿來減少工序，降低成本的支護優(yōu)化措施在隧道穿越斷層破碎帶中是可行的。

隧道工程；斷層破碎帶；鋼拱架；支護優(yōu)化

0 引 言

隧道穿越斷層破碎帶的支護參數優(yōu)化一直是工程界的熱點問題。強度低、易變形、透水性大、遇水軟化是斷層破碎帶的主要特征，對施工造成了很大的困難。國內外學者針對控制圍巖變形分別從隧道病害變形機理，支護參數的優(yōu)化設置以及施工的工藝工序等方面進行了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果[1-7]。盡管如此，在隧道的實際施工中，斷層破碎帶的地質情況也是多種多樣。圍巖等級和支護參數的概念模糊，很容易在施工過程中盲目、片面套用規(guī)范，有可能導致圍巖變形過大，甚至有塌方的危險。

筆者結合船頂隘高速公路隧道，針對隧道開挖支護施工過程中出現的圍巖變形過大，局部區(qū)段出現塌方的現象，對初支參數進行設計優(yōu)化。通過FLAC數值模擬計算[8-9]和現場監(jiān)控量測相結合的方法，對圍巖收斂位移、圍巖應力、塑性區(qū)范圍以及拱架軸力和彎矩情況進行分析，并在現場監(jiān)控中選取了兩個類型相似的斷層破碎帶作為試驗優(yōu)化段進行了驗證試驗，證明此支護參數優(yōu)化可以應用在實踐當中。

1 工程概況

船頂隘隧道是一座上下行分離的四車道高速公路特長隧道，長度為1 982 m，位于福建省與江西省交界處。船頂隘隧道(隧道入口位于福建省內)位于廣昌縣尖峰鄉(xiāng)境內，隧道洞軸線為東西走向，左右線隧道整體位于直線段內，左右隧道縱斷面線型為單向坡，坡度為-1.6%。

地質勘探區(qū)系華夏斷裂構造，主要表現為北東向多具斜向逆沖性質的壓扭性斷層，且大多成群出現。此外尚有與其垂直或斜交的伴生斷裂，其性質多為張性或深扭性。周邊巖層強烈擠壓這些斷層，結果導致了斷層的嚴重破碎與硅化，形成規(guī)模不等的小斷層、破碎帶、節(jié)理發(fā)育，常由石英脈充填，相互切割。據實地勘探，物探探測等勘察成果，發(fā)現船頂隘隧道區(qū)段斷裂構造發(fā)育。

2 數值模擬分析

為研究斷層破碎帶圍巖的受力變化規(guī)律，模擬隧道的周邊環(huán)境條件，利用FLAC3D軟件，通過創(chuàng)建有限元模型模擬其開挖支護等施工過程，以得到的模擬結果為依據，根據其位移和應力的變化趨勢，并結合實際的監(jiān)測數據，進行比對分析，掌握其中的規(guī)律。

根據典型斷面進行優(yōu)化分析，選取F2斷裂帶YK0+400～YK0+560的右線一段，以V級圍巖斷面原型YK0+467進行建造模型，斷面形式為圓形，凈空斷面面積為62.99 m2，凈空高度為6.945 m，最大寬度為10.25 m。

模型外圍左右兩側設置計算邊界為4倍左右雙線隧道總跨度，下部邊界為3倍左右隧道總跨度，根據隧道的實際深度添加均布荷載，如圖1，等效為實際巖體自重應力，如圖2。

圖1 隧道及其外圍邊界Fig. 1 Tunnel and its surrounding boundary

圖2 自重應力場模擬(等效均勻荷載)Fig. 2 Simulation of gravity stress field (equivalent uniform load)

所研究的隧道斷層范圍內只顯露出很少量基巖裂隙水，所以在數值模擬時我們不考慮其影響，因此，邊界條件設為：

位移邊界條件：豎直方向的位移約束施加在模型的下端邊界上，水平方向的位移約束施加在左右兩端的邊界上。

應力邊界條件：等效于自身重力的均布荷載施加在豎直方向上；水平方向不能忽視水平構造應力的影響，所以側壓力系數取0.8，水平應力施加在左右兩端邊界上，水平應力是隨埋深增加而增加的。

結合船頂隘的支護類型對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律進行研究。船頂隘隧道址區(qū)斷層破碎帶大部分以V級圍巖為主體，為了說明支護參數的變化對隧道圍巖應力，位移變化以及塑性區(qū)的影響，選定為V級圍巖進行分析。綜合之前所有的因素條件，在斷層破碎帶的開挖形式選擇為臺階法，如圖3。

圖3 上下臺階法Fig. 3 Step down method

圍巖利用有限元FLAC軟件中模擬隧道應力-應變分析模塊，該隧道研究斷面節(jié)理發(fā)育，多軟弱夾層，屬于彈塑性材料，選取各種異型材料充當圍巖模型。巖土屈服采用Mohr-Coulomb準則：

式中：σ1和σ3為最大主應力和最小主應力；c為材料黏聚力；φ為內摩擦角。

當fs≥0時，材料突破極限，產生剪切破壞，材料達到極限之后，在應力水平達到穩(wěn)定的情況下，產生了塑性變形，如果材料受到的拉應力大于材料抗拉強度，將會發(fā)生拉伸破壞。其它相關物理參數取值由初期的地質勘測報告和室內試驗確定，數據如表1。

表1 模型參數Table 1 Model parameter

其中鋼拱架采用I20b型鋼，截面面積為3.05×10-3m2。

由于巖體所選擇的物理參數直接決定于有限元計算精度的數值計算，所以參數的選擇起著非常重要的作用。在此次模擬計算中計算參數根據規(guī)范和該隧道的地勘資料獲取，可以確保計算結果的基本準確性。

由于在模擬計算中，超前支護手段和鋼筋網采用等效方法進行處理，超前小導管在數值模擬中等效為厚度相當的預加固圈，而鋼筋網以彈性模量的形式等效施加在混凝土噴涂層上。

通過FIAC3D梁單元模擬鋼拱架，相比于等效力替換的方法，可以更有效地模擬鋼拱架，進而分析同種型號的鋼拱架在不同間距下的受力特征。

圖4為FLAC3D建立的立體模型(隱去邊界)，可以更好地觀察出斷層破碎帶與隧道斜交。

圖4 隧道模型Fig. 4 Tunnel model

2.1 鋼拱架間距模擬

結合船頂隘隧道的支護類型對圍巖情況的變化規(guī)律進行研究。通過模擬鋼拱架的間距，改變這一參量的數值，使其成為變量，其他支護參數為常量，查看該參數的變化對圍巖壓力、圍巖收斂變形、圍巖塑性區(qū)范圍、拱架最大軸力以及拱架最大彎矩的影響，如圖5。由圖5(a)、圖5(b)可見，隨著鋼拱架間距的減小，圍巖應力和位移將逐漸減少，剛拱架間距對有效控制圍巖變形以及避免較大的圍巖壓力有著重要作用，剛拱架間距在1.4～0.9 m時，這一變化趨勢較明顯，但在0.8～0.4 m的間距時,拱架間距的減小對圍巖應力和位移的減小作用明顯減慢。由圖5(c)可見，塑性區(qū)長度隨著加密鋼拱架而減小，在其間距稍大時，塑性區(qū)范圍變化明顯，在鋼拱架間距為0.7～0.8 m處，變小的趨勢減緩。根據上述的圍巖應力，位移以及塑性區(qū)等分析結果可以得知，鋼拱架的間距應該以0.8 m為最佳。由圖5(d)、圖5(e)可見，剛拱架間距每減小0.1 m,剛拱架最大軸力將逐漸減小，加密鋼拱架的間距，最大軸力和最大彎矩有更明顯的變化趨勢。根據規(guī)范得知，鋼拱架承載力設計值為902.7 kN,彎矩為55.5 kN·m，所以在鋼拱架間距模擬設置為0.8 m以下時，均滿足承載力要求，不會發(fā)生破壞。

圖5 不同鋼拱架間距下的模擬結果Fig.5 Simulation results with different spacing of steel arch

2.2 錨桿參數模擬

分別從錨桿的長度、環(huán)向間距和軸向間距3個方面進行模擬，使其他參數成為常量，改變單一參量進行計算。

1)錨桿長度模擬。錨桿長度分別取3.00～5.00 m一共9種參數，得到的圍巖壓力，圍巖收斂位移和塑性區(qū)范圍為錨桿長度的內在聯系，如圖6。

圖6 不同錨桿長度下的模擬結果Fig.6 Simulation results with different anchor lengths

2)錨桿環(huán)向間距模擬。錨桿環(huán)向間距分別取0.6～1.0 m一共10種情況，得到圍巖壓力，圍巖收斂位移和塑性區(qū)范圍的關系，如圖7。由圖6，圖7可見，在斷層破碎帶支護參數中，錨桿這類軟性支撐，除了對水平位移收斂的控制效果顯著，其他方面并不能滿足控制圍巖變形的效果，比較之下，鋼拱架在斷層破碎帶的初支參數中起到了重要作用。所以在參數優(yōu)化設計中，應當增加鋼拱架的參數，并弱化錨桿，做到以圍巖穩(wěn)定為前提，減小造價，減少施工工序。

圖7 不同錨桿環(huán)向間距下的模擬結果Fig.7 Simulation results with different bolt spacing

3 現場監(jiān)測分析研究

3.1 現場監(jiān)測方案布置

通過數值模擬得出了合理的鋼拱架間距，為驗證減小鋼拱架間距這一方案是否可行，將這一方案與原先采用的增加初支參數的剛性支護進行對比分析。根據現場勘測施工的實際情況，選取了兩個地質環(huán)境相似的優(yōu)化段來分別對設計支護類型和剛性支護類型進行研究分析，以下簡稱“優(yōu)化段1”和“優(yōu)化段2”。各支護方案支護參數如表2，各項目的監(jiān)測內容的具體布設情況如表3。

表2 支護參數優(yōu)化方案Table 2 Optimization scheme of supporting parameters

表3 監(jiān)測內容布置Table 3 Layout of monitoring content

3.2 現場監(jiān)測結果分析

3.2.1 圍巖變形分析

表4為數值模擬結果和監(jiān)測數據的對比。由表4可見，兩者大體的變化趨勢和最后的收斂位移相似，數值模擬可以較好地反映出隧道在開挖支護過程中的圍巖受力狀況和收斂情況。模擬出的數值結果與現場監(jiān)測的數據略有差異，這是由于數值模擬簡化參數或者隧道在開挖過程中受到了其他不可模擬出的外力所導致的結果差異，還有一部分原因是現場試驗監(jiān)測時人為所造成的誤差。

表4實測數據與模擬數據變形對比表

Table4Comparisonofthemeasureddataandthesimulateddata

監(jiān)測地段監(jiān)測部位數值模擬/mm現場試驗/mm優(yōu)化段1拱頂43．545．2343．6347．12邊墻30．843．6347．1235．62優(yōu)化段2拱頂52．755．9759．3753．78邊墻34．138．9640．7837．23

經過長期監(jiān)測得出的數據(表5)可見，兩端的變形速率和累計變形值均很大，明顯符合斷層破碎帶的特征。但是優(yōu)化段1的收斂值相比于優(yōu)化段2更小一些，說明試驗支護參數更能保持圍巖穩(wěn)定。

表5圍巖變形最大收斂與速率

Table5Maximumconvergenceandrateofthedeformationofsurroundingrock

3.2.2 噴射混凝土壓力

經過長期的現場監(jiān)測得出數據，混凝土的應力如圖8，圖8中外側表明受到壓應力，內側表明受到拉應力，兩個監(jiān)測段混凝土均以受壓為主，拉應力只出現在拱腰部位，優(yōu)化段1無論受壓或受拉均在設計強度范圍之內，混凝土層保留完好，并沒有受到破壞，而優(yōu)化段2部分區(qū)域出現混凝土層剝落損壞，受拉或受壓超出了設計范圍值，由此可以看出優(yōu)化段1混凝土受力明顯小于優(yōu)化段2，控制圍巖變形更有效，圍巖穩(wěn)定性更高。

圖8 噴混凝土應力分布(單位：MPa)Fig. 8 Stress distribution of shotcrete

3.2.3 鋼拱架應力

對鋼拱架的應力進行長期監(jiān)控，并把得到的數據進行分析，結果如圖9、圖10。從圖9、圖10可見：兩個優(yōu)化段的監(jiān)測應力均以受壓為主，壓應力普遍較大，但是拱腰等局部區(qū)域出現了拉應力。優(yōu)化段1受拉和受壓的應力值均在可承受范圍內，結構穩(wěn)定可靠。而優(yōu)化段2拉應力或壓應力過大，一些部位超出了應力極限值，導致了鋼拱架產生變形，通過以上對比可以得出試驗支護的支護效果要優(yōu)越于剛性支護。

圖9 鋼架外側應力分布(單位：MPa)Fig.9 Lateral stress distribution of the steel frame

圖10 鋼架內側應力分布(單位：MPa)Fig. 10 Inner stress distribution of steel frame

3.2.4 初期支護圍巖壓力

通過對數據的分析總結，初期支護圍巖壓力如圖11，外側表明受到壓應力，內側表明受到拉應力。由圖11可見，圍巖壓力分布明顯不同，可以看出邊墻的圍巖壓力最大，拱頂次之，圍巖壓力相對最小是拱腰和拱腳。而兩組試驗段進行比較，優(yōu)化段1的圍巖壓力均小于優(yōu)化段2，所以可以得出結論，試驗支護參數在斷層破碎帶中要優(yōu)于剛性支護。在V級圍巖中，二次襯砌也承受了一部分的結構壓力，試驗數據與數值模擬相比也略有不同，但大體趨勢相近，模擬出的數據可以較為準確的分析出圍巖的受力趨勢，與試驗數據較吻合，說明了拱架改變了巖體的受力狀態(tài)，在很大程度上提高了巖體的承載能力，非常良好的改善了圍巖的力學性質，使圍巖的支護有著非常良好的效果。

圖11 圍巖壓力分布(單位：MPa)Fig. 11 Pressure distribution of surrounding rock

4 結 論

1)斷層破碎帶是導致隧道圍巖變形較大的重要原因，施工過程中應根據地質條件優(yōu)化支護措施。

2)通過數值模擬分析可以得出，鋼拱架的最優(yōu)間距為0.8 m，繼續(xù)縮短間距圍巖穩(wěn)定效果依然有所提升，但是由于價格昂貴，不予考慮。

3)在斷層破碎帶施工中，錨桿支護參數對改善圍巖狀況并不顯著，對比試驗中剛性支護中錨桿長度和環(huán)向間距都比試驗支護有所增強，但是現場監(jiān)測試驗中，局部圍巖壓力卻超過承載范圍，導致破壞?？梢宰C明鋼拱架對斷層破碎帶圍巖支護效果顯著，縮短鋼拱架之間的間距是控制圍巖變形的重要途徑。

4)實際的現場監(jiān)測數值略大于數值模擬的數值，這是因為有隧道掘進開挖中，許多客觀因素導致了圍巖的非正常擾動，數值模擬不能模擬出實際施工中其他因素的影響，所以這此次對比分析中，造成了現場監(jiān)測數值大于FLAC數值模擬的結果。由于現場監(jiān)測與數值模擬各有其特點，所以兩者在工程中應相互結合，取長補短。

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ParametersOptimizationofFractureBeltSupportBasedonNumericalAnalysisandFieldTest

RONG Yao1, WANG Chunyang2, SUN Yang1, MAO Mengyun1

(1.Jiangxi Transportation Institute, Nanchang 330052, Jiangxi, P.R.China; 2.Shool of River & Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China)

In order to control the surrounding rock deformation and ensure the construction safety, combined with the phenomena that excessive deformation and local collapse appeared when Chuanding’ai Tunnel crossed the fault fracture zone, the supporting scheme that steel arch frame spacing was decreased with the increase of primary support strength was proposed. And two groups of programs were selected to carry out the comparative analysis research. Firstly, the steel arch and bolt were calculated respectively by numerical simulation; secondly, in the field monitoring experiment, two groups of test sections were selected; thirdly, the surrounding rock deformation, pressure jet concrete, steel arch stress and initial supporting surrounding rock pressure were monitored and tested on site with two different branch supporting parameters, which verified the feasibility of the support optimization. The research shows that in the primary support parameter optimization of fault fracture zone, the supporting effect of bolting is not ideal, whereas the effect of steel arch is significant, which has a good control effect on the large deformation of surrounding rock. Therefore, it is known that the support optimization measures with concentrating the steel arch support to increase the primary support strength and appropriately weakening the anchor to reduce the process and the cost is feasible when the tunnel crosses through the fault fracture zone.

tunnel engineering; fault fracture zone; steel arch; support optimization

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.04

2016-08-15；

2017-04-21

江西省交通科技重點項目(2015C0015；2015C0016;2015C0019)

榮 耀(1979—)，男，江西萍鄉(xiāng)人，博士，主要從事隧道工程方面的研究。E-mail: kaian2010@qq.com。

U45

A

1674-0696(2017)11-016-07

(責任編輯：譚緒凱)