王棟， 彭雪輝， 黃戡， 孫逸瑋， 邱朗

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114；2. 湖南省第六工程有限公司， 湖南 長沙 410015)

由于地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、施工等原因，隧道圍巖壓力呈不對稱分布。層狀巖體隧道各種層理、節(jié)理及裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面的存在使巖體的力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜多樣，開挖時巖體易發(fā)生滑移而導(dǎo)致各種事故。譚鑫等針對層狀板巖隧道，通過試驗與數(shù)值模擬研究隧道失穩(wěn)破壞模式，結(jié)果表明水平巖層對拱頂和拱底變形不利、傾斜巖層對拱肩和拱腳不利、垂直巖層對邊墻不利。吳迪等結(jié)合金茂公路藍(lán)家?guī)r隧道工程研究不同層面傾角下隧道開挖對圍巖穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明層面傾角緩傾時隧道拱頂及拱底易變形破壞，層面傾角陡傾時隧道襯砌更易產(chǎn)生滑移變形。唐銳等對比分析不同層面傾角與均質(zhì)層狀巖體隧道開挖，得出層理面的存在對隧道變形具有較大影響的結(jié)論。陳子全等根據(jù)93座典型高地應(yīng)力層狀軟巖隧道變形數(shù)據(jù)，闡明受到層理面傾向影響隧道及支護結(jié)構(gòu)的變形具有明顯的非對稱性。溫建永以蘭渝(蘭州—重慶)鐵路為工程背景，選取水平層狀巖體段，通過數(shù)值模擬得出隧道底部比邊墻和拱部更易破壞的結(jié)論。馬騰飛等通過大尺度三維模型相似試驗研究層理傾角對圍巖變形破壞的影響，結(jié)果表明層面傾角較小時主要是隧道上下側(cè)圍巖發(fā)生變形，隨著傾角的增大，破裂區(qū)從開始時的左右兩側(cè)洞室擴散到全周，頂部巖體更易發(fā)生滑塌。層狀巖體的力學(xué)性質(zhì)對圍巖變形破壞有著極大的影響，且由于巖體受到圍巖各向異性的影響，層狀巖體隧道開挖后圍巖的變形特征具有明顯的非對稱性，為保證隧道施工中圍巖的穩(wěn)定性和運營中結(jié)構(gòu)的安全，應(yīng)采用合理的支護方案。沙鵬等通過增加鋼拱架側(cè)向剛度及建立非對稱支護加強了對層狀圍巖薄弱位置的控制。鄧斌等以谷(谷城—竹溪)高速公路油坊坪隧道為工程背景，提出“弱化錨桿+增強初期支護的剛度及強度”的支護優(yōu)化方案，數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測分析表明弱化錨桿對整體支護的影響不大，能有效控制軟巖變形。戴永浩等采用“鋼拱架+錨桿+鋼筋網(wǎng)”的聯(lián)合支護方案解決大梁隧道軟巖地段施工及支護問題。郭小龍等通過工程實例對早強錨桿和普通錨桿進行現(xiàn)場對比試驗，得出早強錨桿軸力平均提高66.7%，并使隧道洞身位移減少40%，可有效控制隧道變形。該文以鄭萬(鄭州—萬州)高速鐵路羅家山隧道為工程背景，對層狀巖體隧道圍巖穩(wěn)定性進行分析，探究隧道開挖后圍巖變形特征，并對錨桿布設(shè)進行優(yōu)化，提出非對稱支護方案。

1 工程概況

羅家山隧道為Ⅰ級風(fēng)險隧道，位于?？抵辽褶r(nóng)架區(qū)間，為單洞雙線隧道，全長10 640 m，最大埋深470 m。DK514+165—DK517+500段隧道穿越志留系下統(tǒng)新灘組頁巖夾砂巖，巖層產(chǎn)狀傾向線路右側(cè)，頁巖為灰色、灰黑色，頁理構(gòu)造，層理清晰，呈薄層狀(見圖1)。

圖1 羅家山隧道DK514+165—DK517+500段掌子面圍巖

該隧道開挖過程中，由于層狀頁巖承載能力較弱，初期支護承受較大圍巖壓力，出現(xiàn)初期支護開裂(主要發(fā)生在隧道邊墻)、掉塊(主要發(fā)生在隧道拱頂和拱肩)現(xiàn)象，初期支護的防水性能削弱，出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象[見圖2(a)]，給施工帶來極大不便。

圖2 隧道開挖中出現(xiàn)的病害

開挖至DK515+165斷面時，掌子面圍巖發(fā)生塌方[見圖2(b)]。初期支護施作前，拱頂處出現(xiàn)大量塌腔，并呈持續(xù)擴大趨勢。初期支護施作后，圍巖變形仍未得到控制，于是暫停施工，采取反壓回填措施對變形進行控制，待圍巖變形穩(wěn)定后再進行換拱處理。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

采用夾層單元對層理面進行模擬，將層理面視為軟弱夾層，通過降低軟弱夾層的材料參數(shù)體現(xiàn)巖體的層間特性。巖體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，采用平面應(yīng)變單元模擬巖體、軟弱夾層。巖體視為彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則描述巖體變形破壞特征。巖體剪切強度為：

τ=c(α)+σtanφ(α)

(1)

式中：τ為破壞面上的剪應(yīng)力；c為黏聚力；α為破壞面與層理面的夾角；σ為正應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角。

巖體強度參數(shù)為：

(2)

(3)

式中：cmax為平行最大主應(yīng)力方向的黏聚力；cmin為垂直最大主應(yīng)力方向的黏聚力；φmax、φmin為相應(yīng)的摩擦角；α0為層理面與最大主應(yīng)力方向的夾角。

2.2 邊界條件及模型參數(shù)

計算模型大小為100 m×100 m，兩側(cè)邊界至隧道中心線的距離為50 m，上下邊界距離為100 m。左右邊界設(shè)置為水平方向位移約束，上邊界設(shè)置為自由邊界，下邊界設(shè)置為固定約束。計算模型見圖3，層理面間距為2 m，層理面傾角為30°，軟弱夾層厚0.02 m。材料參數(shù)見表1。

圖3 隧道數(shù)值計算模型

為簡化模型，計算中將支護結(jié)構(gòu)的參數(shù)采用等效法予以考慮，將鋼拱架的彈性模量折算至初期支護上，計算公式為：

E=E0+ηSgEg/Sc

(4)

式中：E為折算后砼彈性模量；E0為原砼彈性模量；η為每米鋼拱架等效榀量；Sg為鋼拱架截面積；Eg為鋼拱架彈性模量；Sc為砼截面積。

表1 模型材料參數(shù)

2.3 計算工況

采用臺階法與全斷面法進行開挖，通過計算毛洞開挖與有支護開挖兩種工況，對層狀巖體的變形特征進行分析。

2.4 隧道變形分析

圖4、圖5分別為全斷面法毛洞開挖、全斷面法有支護開挖、臺階法毛洞開挖、臺階法有支護開挖工況下圍巖豎直及水平方向變形云圖。

從圖4、圖5可看出不同工況下圍巖變形呈現(xiàn)明顯的非對稱特征：1) 毛洞開挖時產(chǎn)生的變形大于有支護開挖時產(chǎn)生的變形，全斷面法毛洞開挖時產(chǎn)生的變形大于臺階法毛洞開挖時產(chǎn)生的變形，全斷面法有支護開挖時產(chǎn)生的變形小于臺階法有支護開挖時產(chǎn)生的變形。全斷面法毛洞開挖時產(chǎn)生的變形最大，拱頂沉降為48.3 mm，仰拱隆起為47.8 mm，水平收斂為21.6 mm；全斷面法有支護開挖時產(chǎn)生的變形最小，拱頂沉降為14.7 mm，仰拱隆起為27.3 mm，水平收斂為5.12 mm。2) 同一開挖工法下，采用支護能有效控制圍巖變形。全斷面法開挖時，毛洞條件下拱頂沉降為48.3 mm，有支護條件下為14.7 mm，變形降低69.5%；毛洞條件下水平收斂為21.6 mm，有支護開挖條件下為5.1 mm，變形降低76.4%。臺階法開挖時，毛洞條件下拱頂沉降為44.5 mm，有支護條件下為17.2 mm，變形降低61.3%；毛洞條件下水平收斂為20.3 mm，有支護條件下為6.2 mm，變形降低69.2%。3) 4種工況下圍巖變形特征一致，拱頂與仰拱變形較大處的連線與層理面接近于垂直(見圖6)，拱頂沉降左側(cè)大于右側(cè)，仰拱隆起右側(cè)大于左側(cè)，水平最大位移位于左側(cè)拱腰上方。采用支護結(jié)構(gòu)的條件下，上述非對稱變形特點依舊存在，但相比于毛洞開挖工況下減弱許多，毛洞開挖工況下圍巖的非對稱變形特征更明顯。4) 層理面巖體各向異性導(dǎo)致隧道產(chǎn)生非對稱變形，軟弱夾層有沿著層理面滑動的趨勢。應(yīng)針對這種非對稱變形現(xiàn)象采取支護措施，對變形破壞較大一側(cè)洞身的支護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

圖4 不同工況下圍巖豎直方向變形云圖(單位：mm)

圖5 不同工況下圍巖水平方向變形云圖(單位：mm)

圖6 隧道非對稱變形特征

3 支護方案優(yōu)化

3.1 支護方案

層狀巖體隧道開挖后，軟弱夾層有滑移趨勢的一側(cè)破壞較大。針對隧道左側(cè)拱腰上方發(fā)生的較大變形，在隧道原支護方案的基礎(chǔ)上對左側(cè)錨桿長度、環(huán)距及布置方向進行優(yōu)化。優(yōu)化方案(見圖7)如下：方案一為將原方案左側(cè)錨桿長度由3.5 m增至4 m；方案二為加密隧道左側(cè)洞身錨桿，將錨桿環(huán)距由1 m降至0.5 m；方案三為將左側(cè)隧道拱部以上錨桿的方向垂直于層理面布置。

圖7 支護方案

3.2 支護方案優(yōu)化后隧道變形

不同支護方案下圍巖位移見表2，隧道開挖變形量見圖8。

表2 不同支護方案下圍巖位移 mm

由表2可知：3種優(yōu)化方案下圍巖位移均減小，拱頂沉降降幅分別為5.6%、12.4%和2.5%，仰拱隆起降幅分別為9.2%、16.3%和3.17%，水平收斂降幅分別為6.1%、10.7%和3.2%，方案二減小程度最大，方案三最小。

圖8 不同支護方案下隧道開挖變形量

由圖8可知：4種支護方案下，上臺階開挖對拱頂沉降和水平收斂變形都有較大影響，拱頂沉降及水平收斂變形速率最大值出現(xiàn)在上臺階支護階段，隧道上臺階開挖后應(yīng)盡快布設(shè)支護結(jié)構(gòu)。

綜上，方案二的總體變形最小，其優(yōu)化效果最好；方案三通過改變錨桿布設(shè)角度，達(dá)到了控制變形的目的。方案三最優(yōu)。

4 結(jié)論

(1) 毛洞開挖時全斷面法產(chǎn)生的變形較大，設(shè)置支護時臺階法開挖產(chǎn)生的變形較大；毛洞開挖時產(chǎn)生的變形均大于有支護開挖時產(chǎn)生的變形。采用支護結(jié)構(gòu)可控制圍巖變形。

(2) 4種開挖工況下均呈現(xiàn)拱頂沉降左側(cè)大于右側(cè)、仰拱隆起右側(cè)大于左側(cè)的非對稱變形特征，毛洞開挖工況下非對稱變形特征更明顯；拱頂與仰拱變形較大處的連線與層理面接近于垂直。

(3) 優(yōu)化左側(cè)錨桿長度、錨桿環(huán)距能控制圍巖變形；改變左側(cè)錨桿的布設(shè)角度，將錨桿垂直于層理面布置能較好地控制圍巖變形，且便于施工和節(jié)約造價，是一種經(jīng)濟、可靠的支護方案。