對玖山隧道初期支護技術研究

宋志鵬

(中鐵十七局 四公司，重慶 401121)

新奧法是以巖體力學和鐵摩辛柯力學理論為基礎進行隧道支護設計和施工的隧道修建方法。其設計與施工的出發點是最大限度地發揮圍巖的自承能力。它以噴射混凝土、錨桿加固和量測技術為主要支柱。但是，在隧道開挖支護過程中，新奧法有時并不能根據實際情況得到靈活運用。所以，需研究初期支護技術，保護隧道圍巖原有強度，容許圍巖變形但又不致出現強烈松弛破壞，及時掌握圍巖和支護變形動態，使隧道圍巖變形與限制變形的結構支護抗力保持動態平衡，使施工方法具有很好的適用性和經濟性。

1 對玖山隧道工程概況

1.1 地質概況

隧址區在大地構造單元上，屬鄂爾多斯地臺向斜陜北臺凹的一部分。陜北臺凹處于鄂爾多斯地臺向斜中南部。本區為中生代沉積巖系，巖層產狀平緩，傾向大致向西或西偏北，傾角較小，一般不超過10°。線路經過區屬于緩傾的向斜的東南翼，為單斜構造，區域地質構造簡單，無大型褶皺和斷層，長期以來是個比較穩定的地區。

1.2 試驗段內圍巖初期支護參數

對玖山隧道Ⅲ級深埋段DK287+551～DK288+851初期支護采用錨桿、鋼筋網、噴混凝土的組合支護工藝:φ22 mm砂漿錨桿，長 3 m，間距120 cm×120 cm;φ8 mm鋼筋網，間距20 cm×20 cm;噴混凝土厚為12 cm。初期支護的具體尺寸如圖1所示。

圖1 Ⅲ類圍巖初期支護橫斷面(單位:cm)

2 計算模型和工況

通過FLAC3D軟件建立三維數值模型，選用彈塑性本構模型，遵循摩爾—庫侖屈服準則，噴射混凝土和錨桿選用線彈性本構模型。根據工程資料、規范和工程經驗采用圍巖及初期支護參數如表1所示。模型縱向長度取30 m，橫向長度取3倍洞徑，隧道底部圍巖厚度取3倍洞高，埋深100 m。圍巖和噴層采用實體單元(六面體)模擬，錨桿采用三節點桿單元模擬，單元網格劃分如圖2所示。

圖2 單元網格劃分圖

數值模擬計算分為三種工況。工況1為:①計算自重應力場;②全斷面開挖30 m，每循環開挖3 m隨即施作噴錨支護，錨桿縱向間距1.2 m。工況2為:①計算自重應力場;②全斷面開挖30 m，循環開挖3 m，開挖30 m后施作噴錨支護，錨桿縱向間距1.2 m。工況3為:①計算自重應力場;②全斷面開挖30 m，循環開挖3 m，開挖30 m后施作噴混凝土支護。

表1 力學模型材料參數表

3 計算結果及分析

由表2和圖3～圖5可知，三種工況的受拉區出現在洞周圍巖的拱部和底部，邊墻以受壓為主。采用全斷面開挖的方法，其塑性區范圍主要分布在拱頂兩側和洞底范圍內，以拉裂破壞為主。工況1在開挖后隨即施作了噴錨支護，圍巖處于形變階段，相比于工況2和工況3，其圍巖壓力和錨桿軸力較大，但錨桿軸力遠小于設計要求。工況2與工況3相比計算結果相差不大，兩種工況都是全斷面開挖30 m后再施作支護，圍巖變形在施作噴錨支護時已經趨于穩定，錨桿承受的拉力很小。

4 初期支護方案的選用

塊體穩定的洞段全斷面開挖一段距離后再施作噴混凝土支護，并根據現場的情況輔以少量錨桿支護。在開挖中，如不及時支護有可能造成坍塌洞段，需先施作錨桿加固大塊體巖石，待循環開挖一定距離后(不小于30 m)，一次噴射混凝土→鉆錨桿眼→拱頂2～3 m的范圍安設錨桿→注漿(安裝止漿塞、墊板)→掛設鋼筋網→噴混凝土到設計強度。錨桿主要起懸吊和支護作用。

從試驗段中間斷面的拱頂實測沉降時間曲線來看，如圖6所示，Ⅲ級白云巖拱頂沉降速率大約在9 d后就會穩定下來。全斷面開挖27 m左右，再施作噴混凝土支護，對控制圍巖形變和降低噴層結構受力較為有利。

表2 支護方法及計算結果表

圖3 工況1

圖4 工況2

圖6 對玖山隧道DK287+581拱頂沉降時間曲線

5 結論

本文先對幾種不同的工況進行三維數值模擬，考察它們的定量指標，確定開挖與支護方法，然后分析拱頂位移量測數據，得出安全經濟的支護方案。張石二期高速公路隧道群圍巖以Ⅲ級白云巖為主，在與試驗段圍巖條件相近的地段采用此方案，可以減少錨桿的數量，節省成本，加快施工速度。上述結論只是特定條件下特定參數的計算結果，因此可能得出不同的結果。此外，選用不同的本構模型和屈服準則，也會導致計算結果的一些差異。

特別注意的是，隧道斷面能否在較短的時間內閉合最為重要，所以，應盡早施工仰拱，閉合成環，以縮短圍巖應力變化時間。

[1] 朱漢華，孫紅月，楊建輝.公路隧道圍巖穩定與支護技術［M］.北京:科學出版社，2007.

[2] 葉勇，胡學兵.公路隧道支護工藝綜述［J］.公路交通技術，2004(6):89-92.

[3] 李仲奎，戴榮，姜逸明.FLAC3D分析中的初始應力場生成及在大型地下洞室群計算中的應用［J］.巖石力學與工程學報，2004，21(2):2387-2392.

[4] 朱合華，丁文其.地下結構施工過程的動態仿真模擬分析［J］.巖石力學與工程學報，1999，18(5):558-562.

[5] 孫鈞，侯學淵.地下工程［M］.北京:科學出版社，1984.