深部隧道支護系統穩定性數值分析

高小社

(中鐵二十局集團路橋工程公司，陜西 西安 710016)

0 引言

近幾十年來，隨著世界經濟和社會快速發展，世界上各種用途的隧道工程建設開始向深部發展[1]。隨著深度的增加，圍巖存在高地應力、高水壓、高溫度的特點，深部巖體應力分布更加復雜，致使其支護也更加困難，從而造成工程造價大大提高，工期延長，以致發生塌頂塌方坍方事故，給工程的建設及正常使用帶來了很大的影響[2-6]。

為了使深部隧道圍巖穩定，本文主要是通過數值模擬的手段，開展了深部隧道支護系統穩定性研究。

1 數值模型的建立

1.1 標準模型參數選擇

參考工程地質勘測報告，本次數值分析主要是分析Ⅳ類巖石，其物理力學指標如表1所示。

在本次數值模擬中錨桿型號為φ20×2 000 mm，間排距為700 mm×700 mm，錨固力200 kN。錨桿采用高強樹脂錨桿，Z2335樹脂藥卷，每孔3卷樹脂藥;金屬網為:φ6 mm，網格80 mm×80 mm鋼笆焊接網，網搭接100 mm;噴射混凝土強度為C20，噴漿厚度為150 mm。錨索長度取12 m?；炷亮吓浜媳葹樗唷蒙啊檬?1∶2∶2(體積比)，噴混凝土時速凝劑摻量為水泥重量的2.5%～4%。圖1是位移測點分布圖，共監測4個有代表性的隧道位置，它們分別是頂底板和兩幫。

表1 巖石物理力學指標

1.2 標準模型的網格劃分

從理論分析可知，隧道對圍巖中應力分布影響范圍一般是隧道半徑的3倍～5倍，寬度取一個循環進尺，故取計算模型尺寸為長×寬×高=40 m×2 m×30 m。網格劃分時，為了提高程序運行的有效性和節約運行時間，在隧道周圍劃分比較密，單元總數9 300。模型上邊界施加邊界荷載p=25 MPa來模擬垂直方向應力，模型其他三個邊界為位移約束，見圖2。

圖1 位移測點分布圖

圖2 計算模型邊界條件圖（單位：m）

2 數值結果分析

2.1 無支護隧道穩定性分析

從圖3，圖4可知:位移總體上是向隧道中心偏移，并且隧道的底板出現底鼓現象;深部隧道在高應力作用下頂底板及兩幫位移分別是284 mm，139 mm，204 mm和193 mm，隧道產生的變形整體比較大。

由圖5，圖6可以看出，隧道開挖以后圍巖表面沒有法向的力，并且隨著離隧道距離越遠，法向應力越大，影響越來越小;深部隧道在沒有采取任何加固措施的作用下塑性破壞非常嚴重，尤其是拱腳和底角部分。因此，深部隧道開挖后要及時采取有效加固措施，確保隧道安全、快速掘進。

2.2 有支護隧道穩定性分析

深部圍巖由于受到“三高”影響，變形量非常大，如不及時采取有效的加固方式，隧道不可能穩定，但深部隧道的加固與淺部隧道加固有明顯不同，現通過對幾種支護方式進行數值分析，其結果可以為深部隧道支護提供參考。

本次數值模擬方案有以下幾種:

1)錨桿支護;

2)錨桿、錨索組合支護;

3)錨桿、錨索、襯砌組合支護。

圖3 無支護位移失量圖

圖4 無支護頂底板兩幫位移曲線

圖5 無支護最大主應力等高線圖

圖6 無支護最小主應力等高線圖

表2是不同支護形式的頂底板及兩幫位移情況，從表2中分析可以知道:無支護時變形量比較大，最大是拱頂位移，達到284 mm，通過支護的隧道4個測點位移都有不同程度的減小，能起到加固圍巖的作用，加固效果最好的是錨桿、錨索、襯砌組合支護，它的4個測點的位移量分別比無支護的位移量減少36%，52%，53%，25%，但底板的變形量還是比較大。由于在底板沒有采用相應的支護措施，所以底板的變形量減少不大，因此，為了治理好底鼓，還要進一步對底板采取加固措施。

表2 不同支護形式4個測點位移量 mm

圖7是不同支護形式最大主應力云圖。

從圖7可以看出:沒有支護的隧道在隧道表面周圍的一定范圍內幾乎沒有垂直應力，采用支護的隧道，除了在底板有很少部分出現很小的垂直應力外，支護形式從錨桿支護到錨桿、錨索、襯砌組合支護，隧道表面圍巖的垂直應力越來越大，這說明錨桿、錨索、襯砌組合支護支護效果最好。

圖7 不同支護形式的最大主應力等高線圖

3 結語

利用數值模擬軟件FLAC3D模擬了無支護，錨桿支護，錨桿、錨索組合支護，錨桿、錨索、襯砌組合支護加固隧道的效果，得到如下結果:

1)無支護時位移總體上是向隧道中心偏移，變形量比較大，并且隧道的拱底出現底鼓現象，位移最大是頂板。

2)經過支護的隧道，頂底板及兩幫位移都有不同程度的減小，能起到加固圍巖的作用，加固效果最好的是錨桿、錨索、襯砌組合支護，但拱頂、底板的變形量還是比較大。

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