代超龍， 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

大量紅層地區(qū)高等級公路建設(shè)實踐表明[1-4]，紅層地區(qū)公路隧道修建程中會誘發(fā)規(guī)模較大的滑坡、崩塌、滲水、軟化蠕變、隧道圍巖變形坍塌破壞等各類災(zāi)害。

針對紅層大跨度隧道的特點[5]，鄭昳采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，研究得出CRD可以滿足隧道圍巖穩(wěn)定性要求。陳國忠[6]等從隧道施工圍巖的變形、塑性區(qū)分布規(guī)律、初期支護結(jié)構(gòu)的受力特點等方面研究CRD的合理施工工序。劉明[7]等利用隧道實時監(jiān)測的圍巖拱頂下沉和周邊收斂數(shù)據(jù)，研究了紅層隧道圍巖的穩(wěn)定狀況、變形規(guī)律以及二襯支護時機。

本文依據(jù)達萬高速公路天坪隧道工程實際情況，確定紅層典型結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，采取塊體離散元方法研究不同地質(zhì)條件的支護結(jié)構(gòu)受力情況，優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)，提出支護參數(shù)與支護原則，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

以達萬(達州～萬州)高速公路天坪寨隧道S5-1DM06標段為依托，通過對天坪寨隧道隧址區(qū)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在整個洞身段，結(jié)構(gòu)面不甚發(fā)育，主要結(jié)構(gòu)面以原生層面和構(gòu)造節(jié)理為主。區(qū)內(nèi)出露巖性眾多，節(jié)理裂隙發(fā)育，地勘報告顯示，其主要發(fā)育3組(主控節(jié)理2組)，包括：①J1組：產(chǎn)狀0～35 °∠55～77 °，間距0.2～0.5m不等，為區(qū)內(nèi)主控節(jié)理之一；②J2組：產(chǎn)狀190～230 °∠59～80 °，間距0.20～0.70m不等；③J3組：產(chǎn)狀40～65 °∠60～80 °，間距0.50～1.00m不等，可見延伸長度1～4m；微張～張開，面較平直，局部泥質(zhì)充填。

2 數(shù)值模型

2.1 計算模型與參數(shù)

以天坪寨隧道S5-1DM06段為實際工程背景，結(jié)合達州至萬州高速公路天坪寨隧道Ⅴ型襯砌斷面設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 Ⅴ型襯砌斷面設(shè)計

計算中所采用的巖體模型、巖塊節(jié)理參數(shù)和構(gòu)造實測應(yīng)力場參數(shù)見表1和表2。其中，錨桿間距縱×橫0.8m×1.0m，φ22藥卷錨桿長度3.0m，密度7 857kg/m3，彈性模量取210GPa，屈服拉力為180kN。初期襯砌為C20噴射防腐蝕混凝土，初期襯砌24cm厚，計算所用的襯砌力學參數(shù)見表1，節(jié)理計算參數(shù)見表2。

表1 圍巖及初期襯砌計算參數(shù)

表2 節(jié)理計算參數(shù)

天坪寨隧道計算埋深573m，跨徑為12m，模型寬度108m，仰拱距下邊界約36m，拱頂距上邊界約48m。模型上邊界施加上覆巖層壓力，左右邊界約束水平位移，下邊界約束其豎向位移(圖2)。

圖2 計算模型(0°傾角節(jié)理)

2.2 計算工況

如表3所示，在自重應(yīng)力場中，全斷面開挖，除節(jié)理傾角以30 °遞增變化外，各計算模型其他計算參數(shù)相同。以此來探討不同節(jié)理傾角對隧道圍巖變形的影響。

表3 計算工況表

3 計算結(jié)果分析

運用離散元軟件UDEC，計算在各傾角節(jié)理地層中全斷面開挖隧道，應(yīng)力釋放20 %后打設(shè)錨桿、噴射混凝土，其初期支護受力計算分析如下。

3.1 錨桿受力分析

錨桿軸力和沿桿長方向剪力計算結(jié)果如圖3～圖6所示(僅列出節(jié)理傾角為0 °與60 °計算結(jié)果)。

圖3 水平巖層錨桿軸力(單位：N)

圖4 60°傾斜巖層錨桿軸力(單位：N)

圖5 水平巖層錨桿剪力(單位：N)

圖6 60°傾斜巖層錨桿剪力(單位：N)

取最接近實際的60 °傾角巖層隧道分析各根錨桿軸力和沿桿長方向剪力最大值統(tǒng)計見圖7。

圖7 60°傾角各錨桿軸力和沿桿長方向剪力最大值統(tǒng)計

從圖7中可以看出：最大錨桿軸力都發(fā)生在右拱腳處的4#錨桿，其值為65.33kN；最大錨桿沿桿長方向剪力都發(fā)生在右拱腳處的3#錨桿，其值分別21.52kN，由此可以看出對于層狀傾角偏壓隧道，拱腳處錨桿對改善拱腳處圍巖受力狀況和控制拱腳收斂的作用很明顯。

3.2 襯砌受力分析

襯砌軸力和彎矩計算結(jié)果如圖8、圖9所示(僅列出0 °與60 °)。

(a)水平巖層

(b)60°巖層圖8 襯砌軸力(單位：N)

(a)水平巖層

(b)60°巖層圖9 襯砌彎矩(單位：N·m)

由計算結(jié)果可知：水平巖層隧道其軸力彎矩左右對稱且都不大；在傾斜偏壓隧道中，特別是在60 °傾角節(jié)理地質(zhì)偏壓的隧道中，相對于右拱肩和右拱腰，左拱肩和左拱腰處的襯砌軸力和彎矩都較大；最大襯砌軸力發(fā)生在左拱腰處，其值為321.8kN；最大襯砌彎矩也發(fā)生在左拱腰處，其值為75.77kN·m，因此建議加強襯砌左側(cè)的設(shè)計參數(shù)。

3.3 支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(1)在偏壓隧道中，兩側(cè)拱腳墻腳和左側(cè)拱肩的錨桿軸力剪力相對較大，拱部和右拱腰的錨桿軸力剪力相對較小。

(2)相對于右拱肩和右拱腰，左拱肩和左拱腰處的初期襯砌和圍巖之間的法向接觸壓力、襯砌軸力和彎矩都較大；圍巖與初期襯砌之間最大法向接觸壓力、襯砌最大軸力和最大彎矩都發(fā)生在左拱腰處，因此建議加強襯砌左側(cè)的設(shè)計參數(shù)。

(3)初期支護結(jié)構(gòu)采取不對稱設(shè)計之后，隧道結(jié)構(gòu)只是在施工過程中的局部受力較不利，但是對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性不會造成傷害；而且采用不對稱支護結(jié)構(gòu)設(shè)計之后，采取恰當?shù)氖┕げ襟E可以使其受力優(yōu)于對稱機構(gòu)受力。即對受力較好的一側(cè)適當減弱支護，受力較不利的一側(cè)適當增強支護，既能滿足結(jié)構(gòu)受力，又能達到更好的經(jīng)濟適用性。

4 結(jié)論

本文主要研究支護結(jié)構(gòu)受力特征及優(yōu)化，并對其安全性進行評價，得到以下結(jié)論：

(1)兩側(cè)拱腳墻腳和左側(cè)拱肩的錨桿軸力剪力相對較大，拱部和右拱腰的錨桿軸力剪力相對較小。對于節(jié)理傾角60 °，拱部和右拱肩處的錨桿穿越結(jié)構(gòu)面和巖層較少，而兩側(cè)拱腳墻腳和左側(cè)拱肩處的錨桿穿越的結(jié)構(gòu)面和巖層較多，故兩側(cè)拱腳墻腳和左側(cè)拱肩處的錨桿將承受更多由節(jié)理錯動變形引發(fā)的錨桿軸力和剪力。各錨桿沿長度方向軸力剪力分布并不均勻，有的軸力剪力最大值發(fā)生在距洞壁約1/3錨桿長度處，有的在約2/3錨桿長度處，有的在錨桿中部。最大錨桿軸力剪力都發(fā)生在右拱腳處的錨桿。

(2)在60 °傾角節(jié)理地質(zhì)偏壓的隧道中，相對于右拱肩和右拱腰，左拱肩和左拱腰處的初期襯砌和圍巖之間的法向接觸壓力、襯砌軸力和彎矩都較大；圍巖與初期襯砌之間最大法向接觸壓力、襯砌最大軸力和最大彎矩都發(fā)生在左拱腰處，因此建議加強襯砌左側(cè)的設(shè)計參數(shù)。

(3)初期支護結(jié)構(gòu)采取不對稱設(shè)計之后，隧道結(jié)構(gòu)只是在施工過程中的局部受力較不利，但是對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性不會造成傷害，對受力較好的一側(cè)適當減弱支護，受力較不利的一側(cè)適當增強支護，既能滿足結(jié)構(gòu)受力，又能達到更好的經(jīng)濟適用性。