隧道的圍巖特性與初級支護結構分析

張 琳

（河南省第一建筑工程集團有限責任公司 河南 鄭州 450000）

0 前言

隨著高速公路的迅速發展，隧道做為交通發展重要組成部分也要跨上一個新臺階，相應地隧道設計和施工技術也有了更高的挑戰和要求。 在隧道初級設計和施工過程中，采用不同的施工方法和不同的支護結構形式對隧道圍巖的穩定性有很大影響，目前常用的隧道施工方法有環形法、臺階法和全斷面法等，研究不同的開挖方法以及開挖后采用不同的支護結構對圍巖穩定性影響有很大的意義。

本文以某高速公路隧道為施工背景， 大部分隧道為Ⅳ級圍巖，其圍巖特性較差，選巖質較差的Ⅳ級圍巖為對象，做三種施工方法的對比，并在比較得出的開挖方法中選用不同的支護結構從而得出在這種地質條件下的最優施工方法和初級支護結構，并優化施工支護參數。

1 開挖方法的比較分析

運用有限元軟件模擬開挖的臺階法、環形法以及全斷面法。 本構關系采用ducker-prager 屈服準則， 梁單元的力學模型與圍巖的二維連續體力學模型結合在一起計算，考慮初級支護錨桿和噴射混凝土的相互作用。

由于各項施工參數設定相同，這樣就保證了圍巖的應力場和位移場的相同。根據計算結果可以得到應力的極值主要出現在隧道的周邊上，所以位移以及應力的取點位置取在隧道周圍的拱頂、拱肩、拱腰、拱腳以及拱底部分。 經過對特殊點的觀測得到隧道的拱頂較不穩定，有較大的沉降，在應力達到一定的范圍后會產生掉塊，坍塌情況，在拱底由于較大的壓應力會向上拱起；在拱肩和拱腳處會產生小范圍的應力集中現象，達到圍巖的屈服強度后會引起拱腳部位的局部破壞。

經過對比知環形法的開挖應力相對較小，在拱腰和拱底出現應力集中現象，但區域相對較小，在拱腳和拱頂處出現拉應力，相對其他方式，這種拉應力也較小。在拱腰處臺階法開挖會產生塑形區域，而環形法開挖則不會產生。經過綜合比較環形方式的開挖對隧道產生的應力小，且不容易產生塑性變形。

2 支護的時機對隧道圍巖變形的影響

初級支護的時間是通過開挖后的荷載釋放率來確定的，開挖后及時進行初級支護荷載的釋放率為零，這時支護承擔所有的圍巖變形應力； 開挖后經過較長的一段時間等到圍巖變形穩定后進行支護結構，這時的圍巖荷載釋放率為1，支護結構承擔的荷載較小；在這兩種極限情況之間取不同的荷載釋放率0.25、0.5、0.75。不考慮初始地應力的釋放情況，圍巖應力直接作用在初級支護上，支護和圍巖協調變形。

采用有限元分析軟件，圍巖采用二維平面應變單元來模擬，通過提高噴錨加固區的圍巖參數來模擬錨噴支護結構。隧道橫向取洞徑的3 倍長，豎向往上到地面，往下取3 倍洞徑。 支護結構在隧道附近時采用較密的網格劃分，較遠出網格劃分相對稀疏。

計算結果可知洞周圍巖位移運動趨勢皆指向洞內。隨著荷載釋放率的增大，即在初期支護延時的情況下，圍巖在開挖后自身位移不斷增長。 在荷載剛開始釋放， 釋放率為0、0.25 時拱頂沉降大于水平收斂，釋放率為0.5 時兩者大致相等，圍巖應力繼續釋放時水平收斂大于拱頂沉降。經過分析得到支護過晚時的圍巖位移已經超過隧道的穩定控制標準，初期支護時間太晚，有可能造成隧道的坍塌。

圍巖塑性區隨著荷載釋放率的增大而增大，塑性區最先出現在底部，拱墻上會隨著支護

時間的增加出現塑性變形。所以初級支護參與共同作用時間越早越好，這是因為Ⅳ級圍巖自身承能力低，初級支護太晚的話，塑性區域增大到拱墻以上容易造成圍巖松弛，嚴重時產生坍塌。

通過初級支護和圍巖的接觸應力，觀測兩者的協調變形。 得到徑向應力在洞周處最小，隨著離隧道中心距離的增大而增大，環向應力則相反，在洞周處最大，且隨著離隧道中心距離的增大而減小；結構的應力主要為負值，支護主要承載壓應力；隨著荷載釋放率的增大徑向和環向應力都在減小，圍巖的自承能力發揮較多的作用。

3 初期支護參數優化

對不同初期支護厚度、錨桿長度及鋼架間距的變形控制效果進行對比分析，分別采用不同的混凝土厚度、錨桿長、錨桿間距以及型鋼間距。

從支護參數上來看，V 級圍巖條件下, 國內外的隧道一般都設有輔助施工措施,多采用管棚或小導管注漿進行超前支護；在Ⅳ級圍巖條件尤其是淺埋偏壓情況下一般都采用I 字鋼或格柵鋼架作初期支護，二次襯砌在Ⅳ級圍巖條件下多采用鋼筋混凝土,Ⅲ級以下圍巖多采用素混凝土,由于素混凝土結構為脆性結構,不能形成塑性鉸,因而無法進行內力的調整,由于地下結構受力的不確定性,在局部壓力作用下,結構受力最不利位置將發生掉塊、脫落等破壞,若為鋼筋混凝土結構,結構將自行進行內力調整,一般不可能產生像掉塊之類直接危及行車安全的破壞,因此,建議二次襯砌多采用鋼筋混凝土,當計算不需要配筋時可進行構造配筋。

隧道襯砌一般采用復合式襯砌和整體式襯砌,目前施工的隧道中使用較多的是復合式襯砌，復合式襯砌的支護參數設計應綜合考慮使用要求、工程地質和水文地質條件、圍巖級別、隧道埋深及隧道斷面形狀、開挖方法、施工順序和斷面的閉合時間等條件,通過工程類比和結構計算綜合分析確定。

一般的Ⅳ級圍巖條件下,采用噴射混凝土,其設計強度一般不低于C20，圍巖松散、穩定性極差的土巖體中,可采用噴射鋼纖維混凝土,其設計強度一般不低于C25， 噴射混凝土厚度應不小于5cm, 不大于25cm， 隧道噴混凝土一般配合使用單層φ6.5 鋼筋網, 鋼筋間距150-250mm， 隧道系統錨桿一般采用φ25-φ27 中空注漿錨桿和砂漿錨桿,對于巖體破碎、成孔困難的圍巖,可采用φ27-φ32 自進式錨桿,錨桿露頭部分加墊板，錨桿長度根據圍巖地質情況確定。 鋼架支撐一般用在地質條件較差,自穩時間短、初期變形大的地層中。 隧道的洞口淺埋段及圍巖中常用到鋼架支撐。 隧道的鋼架支撐常用格柵鋼架、工字鋼鋼架,也有用到型鋼架，鋼架間距根據地質情況一般為0.6-1.0m。

4 影響隧道圍巖變形的影響因素分析

4.1 地質構造

主要是指褶皺和斷裂對巖層的破壞，在長期的構造變動下，巖體構造的裂隙發育，巖體的穩定性降低，隧道在建設時要盡量的避免在構造復雜的地段通過。 路線選擇上要選擇構造變化較少，巖層較硬的地段，無法避免時保證隧道橫穿褶皺翼部，避開核部，這是核部巖石比翼部更易碎。

4.2 地下水

水是造成圍巖大變形的一個重要因素，圍巖長期在水的浸泡下會造成巖石強度降低，特別對土體類的圍巖更為嚴重，會引起土體的流動液化；在有裂隙的地方水分流動會帶走縫隙內的填充物，是的裂縫的粘結力降低，裂縫進一步的擴大；有些巖石在遇水后會膨脹，造成圍巖變形過大。

隧道圍巖是一個相當復雜的問題，受到各種因素的影響，在控制變形時要做到監測變形和數值模擬相結合的方式，綜合考慮建立全面的隧道控制系統。

5 結論

5.1 隧道圍巖變形在環形開挖方式中變形最小， 在圍巖特性較差的情況下，采用這種方法具有很好的開挖效果。

5.2 初級支護的實施越早越好， 及時的初級支護能夠很好地防止圍巖收斂變形，減少圍巖災害。

5.3 支護參數要根據不同的隧道圍巖情況，合理的做出調整。 在圍巖較差的地方和隧道洞口要使用錨桿或者鋼拱架，相對較好的地方可以不采用。

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