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(guó)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(lái)越復(fù)雜，在隧道施工過(guò)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(guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注重點(diǎn)。

其中杜文通過(guò)對(duì)實(shí)際工程中隧道平緩泥沙巖互層圍巖變形對(duì)支護(hù)的破壞現(xiàn)象進(jìn)行研究，分析了平緩砂泥巖互層圍巖變形機(jī)理，得出了造成圍巖變形的三個(gè)因素，即巖層分布狀態(tài)、空間因素和時(shí)間因素；沙鵬等針對(duì)特殊的非線性大變形破壞現(xiàn)象，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)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(jī)制，并提出了相應(yīng)的支護(hù)措施；李干依托實(shí)際隧道工程，對(duì)其工程特性和變形機(jī)理進(jìn)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(duì)圍巖的控制機(jī)理，并提出了非對(duì)稱(chēng)高預(yù)緊力恒阻錨索支護(hù)策略；王云龍通過(guò)詳細(xì)研究板巖的工程性質(zhì)來(lái)探究板巖隧道施工中工程問(wèn)題的發(fā)生機(jī)理，進(jìn)而對(duì)隧道的支護(hù)參數(shù)及施工方法進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化；劉平等實(shí)際隧道為研究背景，結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)比研究，對(duì)不同因素對(duì)圍巖變形破壞機(jī)制的影響規(guī)律及各因素影響敏感程度進(jìn)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(duì)施工期隧道圍巖的時(shí)效變形及變形影響因素進(jìn)行了較系統(tǒng)和深入的研究；卜明慧以實(shí)際隧道工程為研究對(duì)象，對(duì)隧道圍巖結(jié)構(gòu)變形的相關(guān)因素進(jìn)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(kāi)挖過(guò)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(hù)結(jié)構(gòu)施作時(shí)機(jī)、支護(hù)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(jìn)行了系統(tǒng)分析。李偉平從國(guó)內(nèi)施工情況與存在問(wèn)題入手，對(duì)引起隧道大變形的原因進(jìn)行分析，并總結(jié)出控制隧道大變形的兩大關(guān)鍵點(diǎn)，即選擇合適的施工方法和采取有效控制措施；朱炯等針對(duì)運(yùn)營(yíng)期公路隧道常見(jiàn)軟弱圍巖和、淺埋偏壓兩種情況分別建立計(jì)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(guò)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(duì)運(yùn)營(yíng)期公路隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞模式進(jìn)行分析。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家針對(duì)圍巖變形問(wèn)題進(jìn)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(qiáng)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(chǎng)附近，為雙向四車(chē)道高速公路隧道，隧道設(shè)計(jì)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(duì)分水嶺隧道某典型區(qū)段進(jìn)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(kāi)挖時(shí)從=0界面沿軸正向開(kāi)挖。數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)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(jìn)行模擬，襯砌及錨桿材料采用線彈性模型進(jìn)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(jì)算工況及結(jié)果分析

為分析不同支護(hù)參數(shù)對(duì)隧道圍巖變形的影響，計(jì)算工況設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

表2(續(xù))

3.1 不同噴射混凝土厚度對(duì)隧道圍巖變形的影響

為分析噴射混凝土厚度變化對(duì)圍巖變形的影響，依據(jù)表2中所設(shè)計(jì)的工況進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)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(qiáng)度固定時(shí)，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(duì)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(shí)，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(duì)降低拱底回彈值效果不明顯。

3.2 不同噴射混凝土強(qiáng)度對(duì)隧道圍巖變形的影響

為分析噴射混凝土強(qiáng)度變化對(duì)圍巖變形的影響，依據(jù)表2中所設(shè)計(jì)的工況進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)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(qiáng)度呈反比，隨著噴射混凝土強(qiáng)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(shí)，噴射混凝土強(qiáng)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(qiáng)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(duì)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(qiáng)度呈反比，隨著噴射混凝土強(qiáng)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(shí)，噴射混凝土強(qiáng)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(duì)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(qiáng)度一定時(shí)，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(duì)降低拱頂沉降效果較為明顯，對(duì)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(shí)，隧道噴射混凝土強(qiáng)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(duì)降低拱頂沉降效果明顯，對(duì)降低拱底回彈值效果不明顯。

(3)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，提高圍巖噴射混凝土強(qiáng)度與厚度對(duì)于改善隧道拱頂?shù)某两祮?wèn)題有較好效果，但對(duì)于改善隧道拱底回彈效果一般。