摘要：為解決軟巖隧道大變形侵入問題，文章以云南某高速公路軟弱圍巖下穿大斷裂帶隧道為研究背景，采用CAD-ANSYS-FLAC 3D軟件建立三維模型，分析二次襯砌在有無橫撐及不同二襯厚度4種支護(hù)方案下的隧道圍巖變形、結(jié)構(gòu)受力及二襯安全系數(shù)，研究了軟弱圍巖環(huán)境下不同支護(hù)方案對(duì)隧道施工全過程穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：軟巖環(huán)境下，隧道拱腳處易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，施工時(shí)應(yīng)增設(shè)鎖腳錨桿（管），使初期支護(hù)更好地與圍巖密貼，形成共同受力體，保障施工安全；增加橫支撐，能改善結(jié)構(gòu)受力情況，使結(jié)構(gòu)整體性增強(qiáng)，增加了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；二襯厚度的增加能夠改善結(jié)構(gòu)受力情況，但對(duì)圍巖及結(jié)構(gòu)整體影響較小。

關(guān)鍵詞：軟巖隧道；二次襯砌橫支撐；變形特征；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U455.91" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.054

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0183-04

0引言

近年來，我國交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展迅速，在西部尤其是西部山區(qū)，地形條件復(fù)雜，長大隧道廣泛分布，不可避免地遭遇大量軟巖地層。該類巖體強(qiáng)度低、巖體破碎，施工過程中稍有不慎則容易出現(xiàn)大變形問題，隧道的支護(hù)措施應(yīng)考慮地應(yīng)力釋放與支護(hù)的平衡，使其既有足夠阻力限制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，又有一定的可讓性以適應(yīng)圍巖的變形［1］。若總變形量超過正常施工預(yù)留變形量就必須拆換初期支護(hù)，不僅影響施工進(jìn)度，還會(huì)造成較大的施工安全隱患，危及人員及設(shè)備安全。黃婷等［2］對(duì)其隧道拆除施工過程中的各種拆除及安全保障措施等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并總結(jié)出相應(yīng)處治措施，為后續(xù)類似條件下的擴(kuò)建隧道拆除施工提供參考。王明江等［3］從初支變形應(yīng)急措施、換拱可行性論證及局部換拱施工等方面提出洞內(nèi)搶作二襯及臨時(shí)支撐等措施有效控制了圍巖變形。葉康慨［4］為解決極高地應(yīng)力作用下的隧道大變形問題，應(yīng)用圍巖徑向注漿加固等措施，對(duì)擠壓變形開裂的襯砌予以拆除，重新施作二次襯砌。徐松［5］針對(duì)薄層狀炭質(zhì)泥巖夾砂巖的大變形問題，從臺(tái)階長度、高度、主要的技術(shù)措施以及施工組織措施等方面提出了增加縱向型鋼支護(hù)及全環(huán)徑向注漿加固等措施，有效控制了圍巖變形。

目前對(duì)控制軟巖變形措施的研究，多以增加臨時(shí)支撐、拆換拱為主，而二襯施作橫支撐者較少。本文以云南某隧道拆除重置段為實(shí)例，分析二次襯砌有無橫支撐及二襯厚度對(duì)圍巖變形及結(jié)構(gòu)受力情況的影響。

1工程概況

云南某高速公路隧道圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，隧址區(qū)程海-賓川斷裂帶呈強(qiáng)風(fēng)化（碎石）狀，局部碎塊狀，裂隙發(fā)育，巖體破碎、軟弱，圍巖易坍塌。巖性為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、石英砂巖、礫巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，裂隙紋理發(fā)育，呈碎塊狀，穩(wěn)定性差。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料顯示，隧址區(qū)內(nèi)程海-賓川斷裂帶與隧道相交于K72+164（左幅ZK72+150），呈41°夾角，該斷裂為全新世活動(dòng)斷裂、發(fā)震斷裂，對(duì)隧道影響較大，如圖1所示。斷層兩側(cè)泥質(zhì)砂巖夾石英砂巖體及灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r體極破碎，呈散體狀結(jié)構(gòu)、碎石狀。圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)圍巖，由于初始設(shè)計(jì)為SDsf-1型襯砌支護(hù)，施工過程中發(fā)生了嚴(yán)重的大變形病害。經(jīng)過現(xiàn)場地應(yīng)力、松動(dòng)圈測試以及圍巖變形監(jiān)測，現(xiàn)場地應(yīng)力達(dá)到19.7MPa，松動(dòng)圈約為7～12 m，圍巖變形＞1 m，綜合判定該隧道斷層影響區(qū)內(nèi)為強(qiáng)烈大變形段。

隧道受全新世活動(dòng)的程海-賓川斷裂帶影響，變質(zhì)泥巖、變質(zhì)灰?guī)r等軟巖區(qū)段在高地應(yīng)力場環(huán)境下出現(xiàn)了嚴(yán)重大變形問題。仰拱累計(jì)最大隆起170 cm，拱頂累計(jì)最大沉降156 cm，周邊收斂累計(jì)139 cm。采取單層強(qiáng)支護(hù)措施，隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了初支開裂剝落、拱架扭曲折疊、變形侵限，二襯崩裂、壓裂，仰拱開裂、隆起、縱向推移斷裂等一系列病害問題。采用雙層初期支護(hù)后，仍然出現(xiàn)了破壞，最大變形速率8.0 mm/d，累計(jì)沉降值70 mm，變形仍在持續(xù)發(fā)展，尚未收斂。隧道存在明顯高地應(yīng)力偏壓現(xiàn)象。由于強(qiáng)烈偏壓應(yīng)力的作用，隧道出現(xiàn)了明顯非對(duì)稱變形及結(jié)構(gòu)破壞問題（局部開裂、掉塊、侵限等病害），為解決這一問題，錨桿采用非對(duì)稱方式設(shè)計(jì)。

因此，本文根據(jù)現(xiàn)場支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞情況，針對(duì)二襯開裂侵限病害段落分類別進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用地層-結(jié)構(gòu)法分別驗(yàn)算拆除重置段SFdbx-4不同支護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

2.1三維數(shù)值模型的建立

根據(jù)隧道Ⅴ級(jí)圍巖設(shè)計(jì)資料建立相應(yīng)的三維模型，模型橫斷面寬130 m、高130 m，縱向長度為60 m。為了模擬實(shí)際地應(yīng)力條件，約束模型的底面及其四周邊界的法向位移，模型上邊界施加隧道實(shí)測的豎向應(yīng)力（隧道中心）減去65 m巖體自重后的應(yīng)力，水平及豎向主應(yīng)力通過initial命令直接賦予模型網(wǎng)格，并考慮其在數(shù)值方向上的梯度變化。

結(jié)合工程實(shí)際，在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上（SF4a襯砌）開展拆換拱模擬，隧道每循環(huán)開挖進(jìn)尺為1 m，其中隧道先進(jìn)行開挖，后完成初期支護(hù)的施工，包括拱頂及邊墻的鋼拱架支撐、施作錨桿和噴射混凝土等，最后施作二次襯砌。隧道開挖與支護(hù)方法如圖2所示。其中在隧道開挖前先施作超前大管棚，開挖后錨桿、鋼拱架和噴射混凝土緊跟掌子面。

2.2隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈塑性參數(shù)

隧道模型輪廓采用設(shè)計(jì)文件中Ⅴ級(jí)圍巖深埋地段SFdbx-4型斷面設(shè)計(jì)圖，為研究拆除重置段SFdbx-4不同支護(hù)方案的影響，計(jì)算拆除重置段SFdbx-4支護(hù)方案以及在SFdbx-4型襯砌結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)置橫撐如圖3所示，并設(shè)置襯砌厚度分別為70 cm（無橫撐）、70 cm、75 cm、80 cm 4種方案，不同工況如表1所示。

本文模型建立采用CAD-ANSYS-FLAC 3D的方式，通過CAD建立平面幾何模型，導(dǎo)入Rhino并建立三維幾何模型，然后導(dǎo)入ANSYS軟件中對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。劃分網(wǎng)格時(shí)保證塊體接觸面處平順連續(xù)，使網(wǎng)格呈現(xiàn)為鈍角較小的四邊形，避免出現(xiàn)會(huì)使計(jì)算產(chǎn)生偏差的三角形網(wǎng)格。最后將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入FLAC 3D軟件用以對(duì)處治段的開挖和支護(hù)過程進(jìn)行模擬仿真計(jì)算。

根據(jù)資料東馬場1號(hào)隧道現(xiàn)場實(shí)測地應(yīng)力資料，最大水平主應(yīng)力X方向?yàn)?9.76 MPa，最小水平主應(yīng)力Y方向?yàn)?0.23 MPa，垂直應(yīng)力Z方向?yàn)?2.26 MPa。該模型采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，隧道圍巖為各向同性的理想彈塑性體。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，東馬場1號(hào)隧道地層的物理與力學(xué)參數(shù)如表2所示，支護(hù)類型和參數(shù)如表3、表4所示。

3.1圍巖變形特征

如圖4所示為隧道位移特征點(diǎn)布置圖，如圖5所示為圍巖水平豎向位移分布云圖。工況1豎向位移值最大為54.74 cm，水平位移值最大為32.97 cm。工況2豎向位移值最大為48.93 cm，水平位移值最大為32.29 cm。工況3豎向位移值最大為45.26 cm，水平位移值最大為32.14 cm。工況4豎向位移值最大為42.32 cm，水平位移值最大為30.88 cm。隧道位移整體表現(xiàn)為左右兩側(cè)水平位移對(duì)稱，變形差距較小，拱底垂直位移較拱頂垂直位移更小。圍巖垂直位移主要分布在拱頂及拱底位置，而水平位移主要分布在兩側(cè)拱腰位置。這表明隧道圍巖變形主要由仰拱隆起引起，在隧道施工過程中應(yīng)添加仰拱處治措施，添加仰拱鋼架搭接支護(hù)及增加管狀強(qiáng)度等方案。添加橫支撐后隧道洞周位移有明顯減小，表明添加橫支撐可以有效提高隧道結(jié)構(gòu)的整體性，從而控制圍巖豎向變形但對(duì)水平變形影響較??；隨二襯厚度的增加，圍巖位移稍有降低，但影響幅度較小。

3.2鋼拱架應(yīng)力受力特征

從圖6可以看出，鋼拱架均受壓，第一層鋼拱架已屈服，第二層鋼拱架中工況1的最大應(yīng)力為101.4 MPa，工況2的最大應(yīng)力為84.51 MPa，工況3的最大應(yīng)力為77.77 MPa，工況4的最大應(yīng)力為84.76 MPa。第一層鋼拱架屈服部位位于拱底部位，這是由于圍巖仰拱隆起現(xiàn)象明顯，圍巖在仰拱處侵入較多，拱底承受更大的圍巖壓力。第二層鋼拱架均在安全范圍內(nèi)，這表明設(shè)置雙層初期支護(hù)，兩層初支之間存有一定間隙使得圍巖應(yīng)力得到充分釋放，提高了結(jié)構(gòu)整體的安全性。4種工況鋼拱架應(yīng)力均未超過鋼拱架的屈服強(qiáng)度（235 MPa），且有橫撐相比未加橫撐時(shí)噴射混凝土應(yīng)力減小。

3.3錨桿軸力受力特征

從下頁圖7可知，工況1～工況4系統(tǒng)錨桿的最大軸向拉應(yīng)力分別為276.92 MPa、295.83 MPa、207.26 MPa、207.11 MPa；長錨桿的最大軸向拉應(yīng)力分別為142.26 MPa、143.99 MPa、133.95 MPa、133.53 MPa；仰拱管樁的最大軸向拉應(yīng)力均為27.17 MPa，仰拱管樁受力較小。系統(tǒng)錨桿在拱頂位置處受力較大，工況1、工況2已達(dá)到屈服極限，錨桿受力在拱頂位置處由短錨桿向長錨桿轉(zhuǎn)移。4種工況長錨桿拉應(yīng)力最大值為143.99 MPa，未超過錨桿的設(shè)計(jì)承載力（235 MPa）。

3.4二次襯砌受力特征

從圖8可以看出，未施作橫撐的二次襯砌結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力為6.46 MPa，最大拉應(yīng)力為0.33 MPa。施作橫撐二次襯砌結(jié)構(gòu)最大的壓應(yīng)力為6.25 MPa，最大拉應(yīng)力為0.07 MPa。施作橫撐的二次襯砌，由于隧道以豎向變形侵入為主，隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)在水平方向上主要承受拉應(yīng)力，橫撐承受的拉應(yīng)力值在0.07 MPa左右，未超過C35混凝土設(shè)計(jì)值（1.57 MPa），加橫撐與未加橫撐工況相比二襯受力降低約3%。添加橫撐工況下橫撐與長管棚一起組成“縱橫支撐”體系，有效提升了結(jié)構(gòu)整體性，荷載分配更加均勻，最終穩(wěn)定的閉合結(jié)構(gòu)使支護(hù)結(jié)構(gòu)整體成環(huán)。

各工況不同位置安全系數(shù)見后頁表5，4種工況下安全系數(shù)最小值均出現(xiàn)在右拱腳位置處，安全系數(shù)在7.0～8.3，均能滿足規(guī)范要求。加橫撐后安全系數(shù)增大，二襯厚度的改變對(duì)安全系影響較小。

4結(jié)語

本文采用CAD-ANSYS-FLAC 3D聯(lián)合應(yīng)用的方式，通過FLAC 3D軟件對(duì)處治段的開挖和支護(hù)過程進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，分析了二次襯砌有無橫支撐對(duì)施工過程中隧道圍巖變形、支護(hù)受力特征及二次襯砌安全系數(shù)情況，結(jié)果表明：

（1）隧道位移整體表現(xiàn)為左右兩側(cè)水平位移對(duì)稱，4種工況變形差距較小，拱底垂直位移較拱頂垂直位移更小。圍巖垂直位移主要分布在拱頂及拱底位置，而水平位移主要分布在兩側(cè)拱腰位置。

（2）無論是否增加橫撐噴射混凝土均受壓，第一層噴射混凝土和第二層噴射混凝土最大應(yīng)力值出現(xiàn)在拱腳部位，未加橫撐第一層噴射混凝土應(yīng)力值超過了設(shè)計(jì)強(qiáng)度，但考慮到噴射混凝土與鋼拱架聯(lián)合作用，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。當(dāng)增加橫撐時(shí)，橫撐承受一部分荷載，改善了第一層噴射混凝土整體受力，使得噴射混凝土在添加橫撐后應(yīng)力減小。4種工況的對(duì)比中可以看出，有橫撐相比未加橫撐時(shí)噴射混凝土應(yīng)力減小。

（3）錨桿受力均在拱頂位置處由短錨桿向長錨桿轉(zhuǎn)移。4種工況長錨桿拉應(yīng)力最大值為143.99 MPa，設(shè)置橫梁鋼拱架應(yīng)力減小，且隨著襯砌厚度增加，鋼拱架應(yīng)力也減小。加橫撐與未加橫撐工況相比二襯受力降低約3%。鋼拱架、二襯最大應(yīng)力及安全系數(shù)最小值均出現(xiàn)在拱腳處，表明拱腳處易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，施工時(shí)應(yīng)增設(shè)鎖腳錨桿（管），使初期支護(hù)更好地與圍巖密貼，形成共同受力體。加橫梁支撐后安全系數(shù)增大，二襯厚度的改變對(duì)安全系數(shù)影響較小。

綜上，有橫撐稍優(yōu)于無橫撐二次襯砌，尤其在控制圍巖位移隧道變形方面，其增加的橫撐有效改善了隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，形成均勻受力體；二襯厚度的改變對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小。綜合考慮隧道施工建設(shè)的時(shí)效性、經(jīng)濟(jì)性，建議該隧道二次襯砌采用有橫撐二襯，厚度選擇70 cm進(jìn)行施工。

參考文獻(xiàn)：

［1］王小林，黃彥波.中外高地應(yīng)力軟巖隧道大變形工程技術(shù)措施對(duì)比分析——以蘭渝鐵路木寨嶺隧道與瑞士圣哥達(dá)基線隧道為例［J］.隧道建設(shè)（中英文），2018，38（10）：1 621-1 629.

［2］黃婷，宋建.大端隧道拆除擴(kuò)建施工關(guān)鍵技術(shù)［J］.西部交通科技，2023（8）：106-107，214.

［3］王明江，徐祖宏，黃國林，等.淺埋大偏壓六車道連拱隧道初支換拱處治技術(shù)［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2023，19（z1）：478-485.

［4］葉康慨.蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段擴(kuò)拆技術(shù)［J］.隧道建設(shè)（中英文），2018，38（4）：640-648.

［5］徐松.牡綏鐵路興源隧道軟巖大變形控制技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2016，36（8）：997-1 003.

作者簡介：隋志斌（1992—），碩士，助理工程師，主要從事公路工程建設(shè)管理工作。

收稿日期：2024-05-16