隧道開挖后圍巖松動區及襯砌荷載研究

摘 要：隧道工程是國民經濟的重要組成部分，隨著國民經濟的不斷發展，隧道工程事業也得到了相應的提升，在此過程中暴露出的弊端也越來越多，比如在隧道開挖施工后，圍巖的松動將會對隧道施工造成極大的安全威脅，不利于施工的順利進行。因此，對隧道開挖后的圍巖松動區以及襯砌荷載的研究十分必要，文章以IV級圍巖為例，并且分析圍巖壓力和支護之間的壓力，從而研究襯砌荷載。

關鍵詞：隧道開挖；圍巖松動；襯砌荷載

中圖分類號：TU457 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）21-0143-02

圍巖松動區在隧道開挖后將會產生極大的變化，對于施工地質本就不好的現場來說尤甚，一旦處理不好將會造成巨大的事故發生，因此，應該通過合理的襯砌荷載研究，并采用數值模擬印證檢測的可靠性，從而為隧道工程的圍巖穩定提供理論依據。

1 工程概況

某隧道工程長1 245.14 m，屬于分離式小凈距的組合長隧道，左右洞最大埋深為179 m，呈西北-東南走向，由于地表水的侵蝕作用以及長期構造作用，導致不同的微地貌單元發生，隧道的地層從新到老分別為：殘破基層（主要包括含礫砂黏土，且土質并不均勻，礫石包括強風化砂巖以及泥質細砂巖）、蓮花組（主要包含細砂巖，屬于碎屑型沉積巖，具備為泥巖或砂巖）。

隧道從最大埋深處到洞口處依次為Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級圍巖，其中，Ⅳ級圍巖的支護參數為：超前錨桿對圍堰進行輔助施工的超前加固與支護，支護通常采取厚C20規格20 cm的噴射混凝土、5.5 mm鋼筋網25 cm×25 cm，100 cm×100 cm的砂漿錨桿，其L=3.00 m，100 cm鋼格柵拱。二襯及仰拱應采取厚C25規格40 cm鋼筋混凝土。根據《公路隧道設計規范》以及設計院提供的資料，具體的材料物理力學參數，見表1。

根據《公路隧道施工技術規范》的要求，為了掌控支護結構以及圍巖的動態，實時了解隧道情況，應對項目進行監控工作。

1.1 錨桿軸力

檢測錨桿軸力，可以對錨桿的支護效果加以掌控，并且為圍巖松動區范圍的反算提供了數據支持，其中，錨桿軸力時程曲線如圖1所示，最大軸力統計見表2。

據圖表可知，錨桿軸力在15 d內增長最為迅速，主要由于開挖后圍巖應力釋放，且位移增加，錨桿發揮其效用，符合工程需求，16～60 d內增長速度放緩，說明圍巖此刻慢慢穩定，60 d后二次襯砌以及圍巖穩定，錨桿軸力變化也趨于穩定。

1.2 圍巖壓力

檢測支護上的圍巖壓力，從而分析支護與二次襯砌的荷載承擔比例，具體的圍巖壓力時程曲線，如圖2所示，最大壓力統計見表3。

由圖表可知，壓力的度數表現為先增大后減小，最后趨于穩定，15 d內由于噴射混凝土迅速硬化導致圍巖壓力快速增大，并且在支護上圍巖變形發生了較大壓力，16～50 d錨桿軸力減小，形成圍巖內部壓力拱，發揮自承能力，50 d后圍巖產生相對波動后趨于穩定，主要是二次襯砌的影響，重新分配襯砌荷載。

1.3 兩層支護之間壓力

檢測兩層支護之間的壓力，從而分析二次襯砌支護圍巖的效果，并且研究其荷載分擔的比例，具體兩層支護之間壓力時程曲線，如圖3所示，最大壓力統計表，見表4。

根據圖表不難看出，混凝土澆筑完畢后壓力明顯增大，但是在拆模后壓力有所減小，一個月后隨著二次襯砌混凝土強度對兩側壁的擠壓，增大兩拱腰處承受壓力，隨后保持穩定，但供頂基本不變，最終將支護壓力穩定在相對較低的水平，總而言之，支護壓力的變化過程也可以稱之為支護間與二次襯砌的變形協調以及圍巖壓力的重新分配。

1.4 二次襯砌混凝土應力變化

檢測二次襯砌混凝土壓力變化，通常對二次襯砌的受力情況加以分析，并且和數據結果進行對比，從而分析其可靠性，二次襯砌混凝土應變時程曲線，如圖4所示，二次襯砌混凝土最大應變統計，見表5。

根據圖表不難看出，二次襯砌是混凝土澆筑的主要受拉階段，其主要與混凝土初期收縮以及其內部反應有關，且其應變值均大于《公路隧道設計規范》換算得來的極限拉應變值，所以混凝土澆筑過程中其二此襯砌部位會發生細微裂縫現象。在混凝土初凝之后，其內部拉應變值會逐漸減少，直至為零后，繼續進入受壓狀態，與此同時，在受壓變化中拱頂的應變絕對值應該小于拱腰的應變絕對值。

2 數值模擬

2.1 計算圍巖塑性區

為了實現圍巖塑性區的建立，應分析支護的隧道模型，從而便于計算，并且合理的做出以下假設：①只考慮自重應力場；②不對時間效應加以考慮；③材料均為連續、均質以及各向同性；④支護作用等效到噴射混凝土，鋼筋網支護作用不予以考慮；⑤采用庫倫-摩爾模型的屈服準則。

經過數據模擬以及計算結果可知，隧道墻角處圍巖出現較大的塑性變形，所以無論是拉應力還是壓應力，都會導致塑性圈厚度在2 m內，此計算結果與反算的塑性厚度極其吻合，說明錨桿軸力反算松動去半徑以及塑性區半徑是可行的，也說明了圍巖擾動很小，支護作用比較及時，符合設計規定的錨噴支護準則。

2.2 計算二次襯砌

采取彈塑性平面應變隧道模型進行二次襯砌的計算，并且采取庫倫-摩爾模型的屈服準則，在建模時，平面應變單元模擬圍巖，桁架單元模擬錨桿，線彈性梁單元模擬二次襯砌以及初期支護，單位寬度為梁的單元寬度，二次襯砌設計厚度為梁的單元高度，二次襯砌以及初期支護作用通過受壓彈簧來進行模擬，其反力系數值為300 000 kN/m3。彈簧單元軸力，如圖5所示，二次襯砌模擬，如圖6所示。

根據圖不難看出，彈簧單元軸從拱頂到墻角逐漸增大，而二次襯砌軸向壓力從拱頂到墻角逐漸減小，所以，二次襯砌在此圍巖條件下是受力的，而且除了自重之外的其余荷載，均通過支護的相互作用，從而傳遞給二次襯砌結構的。二襯計算值與實測值比較，見表6。

3 結 語

隧道工程在不良地質施工時，要特別注意圍巖處的施工情況，并且對其襯砌荷載進行計算分析，從而確保隧道開挖工程的順利進行。

參考文獻：

[1] 李鵬飛，張頂立，趙勇，等.大斷面黃土隧道二次襯砌受力特性研究[J].巖石力學與工程學報，2010，（8）.

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