周家鳳 李文亮 李秋斌 陳科文

(四川川交路橋有限責(zé)任公司 廣漢 618300)

隧道支護對控制隧道變形、確保隧道施工安全至關(guān)重要。眾多學(xué)者采用理論分析與軟件模擬相結(jié)合方式進行了隧道支護相關(guān)研究。鄭雨天等[1]率先提出聯(lián)合支護理論,認(rèn)為軟巖隧道適當(dāng)形變量是允許存在的。董方庭等[2]研究認(rèn)為隧道開挖產(chǎn)生隧道圍巖松動圈,支護難度隨松動圈增大而增大。國內(nèi)外支護理論研究成果為隧道不利地質(zhì)段支護方法的研究夯實了基礎(chǔ)。盧義玉等[3]在對隧道圍巖變形數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場監(jiān)測的同時,研究了超前小導(dǎo)管注漿對支護結(jié)構(gòu)作用機理和參數(shù)。劉華榮[4]依托燈草塘大跨度雙連拱隧道,通過軟件模擬研究了錨桿對圍巖、塑性區(qū)、剪切應(yīng)變率的影響。黃辰奕[5]利用軟件模擬計算得到了隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律,發(fā)現(xiàn)隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變形值、應(yīng)力值隨著水位高度的上升、隧道埋深的增大、與斷層距離的減小而增加。姚曉明[6]針對遼寧大伙房輸水工程開敞式TBM施工時初期支護噴射混凝土不能及時施作,不利地質(zhì)段暴露隧道圍巖容易變形、落石的問題,提出優(yōu)化的初期支護形式。施英等[7]結(jié)合京滬高速鐵路隧道工程,建立了管棚力學(xué)分析模型,研究了套拱、管徑、管間距、掌子面加固等因素對管棚荷載傳遞及支護效果的影響。

綜上所述,目前對于支護結(jié)構(gòu)參數(shù)對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的研究還較少。因此本文將結(jié)合桂溪隧道現(xiàn)場情況,采用midas GTS軟件,利用數(shù)值模擬的方式,通過改變初期支護噴射混凝土厚度、錨桿尺寸、排距和環(huán)形間距,以及管棚支護布設(shè)范圍和注漿厚度等支護結(jié)構(gòu)參數(shù),研究支護方案對斷層破碎帶隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。研究選取合適的支護結(jié)構(gòu)參數(shù),旨在充分發(fā)揮支護結(jié)構(gòu)作用的基礎(chǔ)上,節(jié)約成本。

1 隧道模型

1.1 工程概況

桂溪隧道進口位于四川省平武縣平通鎮(zhèn)牛飛村,是九綿高速項目的重要組成部分。隧道左、右洞分別長5 655 m和5 635 m,隧道進口至K192+000段最大埋深677 m,采用雙向四車道形式,設(shè)計車速80 km/h。根據(jù)工程勘探資料,洞身段穿過韓家店組地層,韓家店組主要是以千枚狀板巖(V級圍巖)、泥質(zhì)灰?guī)r(IV～V級圍巖)為主的軟質(zhì)巖,絕大部分為千枚狀板巖,受地質(zhì)構(gòu)造影響,巖石風(fēng)化程度高,較破碎。隧址區(qū)屬于北亞熱帶山地濕潤季風(fēng)氣候,氣候溫和,降水豐沛,日照充足,四季分明。根據(jù)勘察資料,隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

1.2 模型概述

建立隧道支護結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬模型需要進行一定的簡化,基本假定如下。

1) 由于隧道埋深較大,故只考慮巖體自重與地址構(gòu)造力,忽略溫度應(yīng)力等其他影響較小的因素。

2) 軟件還原地下水困難,模型不考慮地下水的影響。

3) 本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型。

4) 數(shù)值分析過程僅考慮初期支護。

利用midas GTS軟件建立隧道模型,根據(jù)該隧道實際情況,模型中隧道延伸方向(Y方向)長度取為100 m,水平方向(X方向)長度取為100 m,垂直方向(Z方向)取為100 m。模型左、右、前、后添加法向約束,下部邊界全約束。

建立的隧道數(shù)值分析模型見圖1,初期支護、管棚支護模型見圖2。

圖1 隧道數(shù)值分析模型

圖2 支護結(jié)構(gòu)模型圖

2 隧道圍巖穩(wěn)定性判據(jù)

2.1 位移判定

李寧等[8]通過對隧道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、隧道斷面和隧道埋深等因素進行分析,假設(shè)隧道圍巖表面剪切塑性極限為臨界條件,推導(dǎo)圓形隧道斷面的臨界拱頂沉降量公式如式(1)。

(1)

式中:H為隧道埋深;γ為巖層平均容重;r為隧道斷面半徑;G、c、φ分別為圍巖的剪切模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角。

在式(1)的基礎(chǔ)上,考慮隧道開挖后隧道圍巖進入塑性狀態(tài),則圍巖塑性區(qū)半徑為R時相應(yīng)的圓形隧道斷面的臨界拱頂沉降量公式如式(2)。

(2)

式中:

B=K1K2K3

(3)

(4)

(5)

(6)

其中:R為圍巖塑性區(qū)半徑,工程應(yīng)用中可初步按照錨桿長度L考慮,即:R=r+L。

在式(2)的基礎(chǔ)上,考慮黏聚力c,可得到圍巖塑性區(qū)半徑為R時相應(yīng)的圓形隧道斷面的臨界拱頂沉降量計算公式如式(3)。

(7)

式中:

(8)

(9)

經(jīng)前人驗證,式(1)計算得到的隧道圍巖拱頂位移極限值過于保守,式(2)和式(7)計算得到的隧道圍巖拱頂位移極限值相對合理,且都符合相關(guān)規(guī)范的要求。式(7)與式(2)相比,得到的拱頂沉降極限值較大,IV、Ⅴ類圍巖增大約6%(增大幅度與黏聚力c大小相關(guān))。

綜上所述,為分析隧道圍巖穩(wěn)定性,可由式(2)及式(7)求得埋深為600 m,洞徑為11.5 m的隧道圍巖極限位移值,見表2,其中圍巖力學(xué)參數(shù)及物理指標(biāo)參考JTG/T 3371-2022《公路隧道設(shè)計規(guī)范》。

表2 隧道圍巖極限位移值

2.2 塑性區(qū)判定

軟弱圍巖在高地應(yīng)力的作用下由于巖石強度較低,在隧道開挖后,洞室周邊將出現(xiàn)塑性區(qū)。塑性區(qū)變化會對圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。塑性區(qū)的出現(xiàn)可以證明圍巖應(yīng)力條件變差,穩(wěn)定性下降。

2.3 安全系數(shù)判定

強度折減法是通過不斷降低隧道圍巖的黏聚力與內(nèi)摩擦角直至圍巖達到極限破壞狀態(tài),此時的折減系數(shù)定義為圍巖的穩(wěn)定安全系數(shù)。安全系數(shù)可以定量評價隧道圍巖的穩(wěn)定性[9-10]。安全系數(shù)越大,隧道的穩(wěn)定性越好。因此,本文以強度折減法圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)為主,圍巖極限位移和圍巖塑性區(qū)分布為輔對隧道的圍巖穩(wěn)定性進行判定。

3 支護結(jié)構(gòu)對隧道穩(wěn)定性影響

合理的支護結(jié)構(gòu)不僅能夠充分發(fā)揮其支護作用,保障隧道圍巖穩(wěn)定性,而且還能夠減少浪費、節(jié)約成本。后文采用控制變量法對各支護參數(shù)對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響進行數(shù)值模擬研究。初始工況設(shè)計見表3。

表3 初始工況設(shè)計表

3.1 噴射混凝土厚度對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

3.1.1工況參數(shù)選取

噴射混凝土可起到支護作用,但過多會造成浪費,過少支護效果不佳,因此要根據(jù)支護方案選取合適厚度的噴射混凝土。根據(jù)隧道現(xiàn)場施工設(shè)計方案,設(shè)計噴射混凝土厚度為10,15,20,25 cm 4種工況,其他參數(shù)數(shù)值與初始工況相同。

3.1.2模擬結(jié)果分析

根據(jù)midas GTS軟件對本文隧道不同厚度噴射混凝土條件下模型計算結(jié)果,隧道圍巖塑性區(qū)云圖見圖3。

圖3 不同厚度噴射混凝土工況下隧道圍巖塑性區(qū)云圖

由圖3可知,在不同厚度噴射混凝土工況下,隧道圍巖塑性區(qū)半徑基本不變,約為2.7 m。施加初期支護后,隧道拱頂沉降云圖見圖4。

圖4 不同厚度噴射混凝土工況下隧道拱頂沉降云圖

根據(jù)不同厚度噴射混凝土條件下隧道拱頂圍巖極限位移、各監(jiān)測斷面的最終沉降量,以及強度折減法計算得到的穩(wěn)定安全系數(shù)見表4。

表4 不同厚度噴射混凝土工況下隧道圍巖穩(wěn)定性判定表

由表4可知,隧道初期支護噴射混凝土厚度越大,隧道拱頂沉降越小,隧道圍巖穩(wěn)定性越佳,且當(dāng)噴射厚度在10～20 cm時,其對拱頂沉降控制作用更加顯著;噴射厚度在20～25 cm時,其對拱頂沉降控制作用較為有限。因此,建議噴射混凝土厚度控制為10～20 cm。

3.2 錨桿長度對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

3.2.1工況參數(shù)選取

根據(jù)隧道現(xiàn)場施工設(shè)計方案,設(shè)計錨桿長度為2,3,4,5 m 4種工況,其他參數(shù)數(shù)值與初始工況相同。通過數(shù)值模擬計算得到塑性區(qū)與拱頂沉降。

3.2.2模擬結(jié)果分析

通過midas GTS對不同錨桿長度條件下模型模擬得到的隧道塑性區(qū)云圖與拱頂沉降結(jié)果顯示,改變錨桿長度對隧道圍巖穩(wěn)定性影響較小。根據(jù)拱頂沉降與強度折減法計算可得到圍巖穩(wěn)定判定表,見表5。

表5 不同錨桿長度下隧道圍巖穩(wěn)定性判定表

當(dāng)錨桿長度發(fā)生改變時,隧道塑性區(qū)變化不大。由表5可知,當(dāng)錨桿長度增大時,隧道拱頂沉降控制效果越好,且當(dāng)錨桿長度在2～4 m時,其對拱頂沉降控制作用更加顯著,繼續(xù)增大長度,錨桿的支護作用效果增加有限,因此錨桿長度建議控制為2～4 m。

3.3 錨桿布設(shè)排距對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

3.3.1工況參數(shù)選取

根據(jù)隧道現(xiàn)場施工設(shè)計方案,錨桿布設(shè)排距為0.6,0.8,1.0,1.2 m 4種工況,其他參數(shù)數(shù)值與初始工況相同。通過數(shù)值模擬計算得到塑性區(qū)與拱頂沉降。

3.3.2模擬結(jié)果分析

通過midas GTS對不同錨桿布設(shè)排距條件下模型模擬得到的隧道塑性區(qū)云圖與拱頂沉降結(jié)果顯示,改變錨桿布設(shè)排距對隧道圍巖穩(wěn)定性影響較小。根據(jù)拱頂沉降與強度折減法計算得到的安全系數(shù)可得到圍巖穩(wěn)定性判定表,見表6。

表6 不同錨桿布設(shè)排距下隧道圍巖穩(wěn)定性判定表

當(dāng)錨桿布設(shè)排距發(fā)生改變時,隧道塑性區(qū)變化不大。由表6可知,當(dāng)錨桿布設(shè)排距越大時,隧道拱頂沉降控制效果越好,且當(dāng)錨桿布設(shè)排距在0.6～1.0 m時,拱頂沉降變化幅度較大,錨桿布設(shè)排距在1.0～1.2 m時,拱頂沉降變化較小。因此當(dāng)需要減小布設(shè)排距以增強支護作用時,錨桿長度建議控制在0.6～1.0 m。

3.4 錨桿環(huán)形間距對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

3.4.1工況參數(shù)選取

根據(jù)隧道現(xiàn)場施工設(shè)計方案,設(shè)計錨桿環(huán)形間距為0.8,1.0,1.2,1.5 m 4種工況,其他參數(shù)數(shù)值與初始工況相同。通過數(shù)值模擬計算得到塑性區(qū)與拱頂沉降。

3.4.2模擬結(jié)果分析

根據(jù)midas GTS對不同錨桿橫向間距條件下模型模擬得到的隧道塑性區(qū)云圖、拱頂沉降結(jié)果及計算強度折減法計算得到的安全系數(shù)匯總得到圍巖穩(wěn)定判定表,見表7。

表7 不同錨桿環(huán)形間距下隧道圍巖穩(wěn)定性判定表

當(dāng)錨桿環(huán)形間距發(fā)生改變時,隧道塑性區(qū)變化不大。由表7可知,當(dāng)錨桿布設(shè)排距越大時,隧道拱頂沉降控制效果越好,且當(dāng)錨桿布設(shè)排距為0.8～1.2 m時,拱頂沉降的變化幅度較大,錨桿布設(shè)排距為1.2～1.5 m時,拱頂沉降變化極小。因此當(dāng)需要加強支護結(jié)構(gòu)時,錨桿長度建議在0.8～1.2 m中取值。

3.5 管棚支護施作范圍對隧道圍巖穩(wěn)定性影響

3.5.1工況參數(shù)選取

根據(jù)隧道現(xiàn)場超前支護施工設(shè)計方案,設(shè)計管棚支護施作范圍為90°,120°,150° 3種工況,其他參數(shù)數(shù)值與初始工況相同。通過數(shù)值模擬計算得到塑性區(qū)與拱頂沉降。

3.5.2模擬結(jié)果分析

通過midas GTS管棚支護的不同施作范圍下模擬計算得到的隧道圍巖塑性區(qū)云圖見圖5。

圖5 不同管棚支護施作范圍下隧道圍巖塑性區(qū)云圖

由圖5可知,在管棚支護施作范圍為90°,120°,150°時,隧道圍巖塑性區(qū)半徑分別為2.4,2.3,1.6 m。隧道圍巖塑性區(qū)隨管棚支護施作范圍增大而減小。施加初期支護后,隧道拱頂沉降計算結(jié)果見圖6。

圖6 不同管棚支護施作范圍下隧道拱頂沉降

根據(jù)不同管棚施作范圍下隧道拱頂圍巖極限位移、各監(jiān)測斷面的最終沉降量,以及強度折減法計算得到的穩(wěn)定安全系數(shù)見表8。

表8 不同管棚支護施作范圍下隧道圍巖穩(wěn)定性判定表

由表8可知,隧道管棚支護施作范圍越大,隧道拱頂沉降越小,隧道圍巖穩(wěn)定性越好,且當(dāng)管棚支護施作范圍在90°～120°時,其對拱頂沉降控制作用更加顯著;施作范圍120°～150°時,其對拱頂沉降控制作用提升較為有限。因此建議管棚支護施作范圍控制為90°～120°,以降低成本。

3.6 管棚支護注漿厚度對隧道圍巖穩(wěn)定性影響

3.6.1工況參數(shù)選取

根據(jù)隧道現(xiàn)場超前支護施工設(shè)計方案,設(shè)計管棚支護注漿厚度為1,1.5,2 m 3種工況,其他參數(shù)數(shù)值與初始工況相同。通過數(shù)值模擬計算得到塑性區(qū)與拱頂沉降。

3.6.2模擬結(jié)果分析

根據(jù)midas GTS軟件對本文隧道不同管棚支護注漿加固區(qū)厚度條件下模型計算結(jié)果,隧道圍巖塑性區(qū)云圖見圖7。

圖7 不同管棚支護注漿厚度下隧道圍巖塑性區(qū)云圖

由圖7可知,在管棚支護注漿加固區(qū)厚度為1.0,1.5,2.0 m工況下,隧道圍巖塑性區(qū)半徑分別為2.4,2.6,2.8 m。隧道圍巖塑性區(qū)隨管棚支護注漿加固區(qū)厚度增大而增大。

施加管棚支護后,數(shù)值模擬得到的隧道拱頂沉降見圖8。

圖8 不同管棚支護注漿厚度下隧道圍巖塑性區(qū)云圖

根據(jù)不同管棚注漿厚度工況下隧道拱頂圍巖極限位移、各監(jiān)測斷面的最終沉降量,以及強度折減法計算得到的穩(wěn)定安全系數(shù)見表9。

表9 不同管棚支護注漿厚度下隧道圍巖穩(wěn)定性判定表

由表9可知,隧道管棚支護注漿厚度越大,隧道拱頂沉降越小,隧道圍巖穩(wěn)定性越好,且當(dāng)管棚支護注漿厚度為1.0～1.5 m時,其對拱頂沉降控制作用更加顯著;注漿厚度為1.5～2.0 m時,其對拱頂沉降控制作用提升較為有限。因此建議管棚支護注漿厚度控制為1.0～1.5 m,以降低成本。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬研究了不同支護結(jié)構(gòu)參數(shù)對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響,得出如下結(jié)論。

1) 噴射混凝土能夠很好地提高支護結(jié)構(gòu)的支護能力,使得圍巖的塑性區(qū)半徑與拱頂沉降都有所降低,但是當(dāng)混凝土噴射過厚時效果提升不明顯。

2) 在一定范圍內(nèi),增加錨桿長度、減小錨桿布設(shè)排距、減少錨桿環(huán)形間距能夠降低塑性區(qū)半徑與拱頂沉降,提高圍巖穩(wěn)定性。

3) 適當(dāng)增加管棚支護施作范圍與注漿厚度均可減小拱頂沉降,穩(wěn)定隧道圍巖。