軟弱圍巖隧道施工技術與穩(wěn)定性研究

劉振斌

摘要：為了研究軟弱圍巖隧道的支護結構方案，文章選取西南地區(qū)某高速公路中一個含軟弱圍巖隧道為研究對象，通過前期勘察和上下臺階開挖方法，結合Midas NX有限元軟件進行開挖過程中的位移和應力計算，得到開挖過程中仰拱上揚、拱頂下沉、邊墻及拱腳外擴等位移變化規(guī)律，以及隨著施工步驟的增加，圍巖應力的釋放規(guī)律。研究結果表明該支護結構在軟弱圍巖的是可行的。

關鍵詞：軟弱圍巖;支護結構;Midas NX;隧道施工

中圖分類號：U451+.2A371333

0 引言

我國經(jīng)濟的快速發(fā)展離不開交通的發(fā)展，經(jīng)濟的發(fā)展也在帶動交通不斷發(fā)展，我國交通網(wǎng)絡越來越發(fā)達，不僅里程總數(shù)在不斷增加，其技術也在不斷地發(fā)展創(chuàng)新。山嶺地區(qū)的高速公路穿越山嶺一直是工程上的一大難點，傳統(tǒng)的“寧繞勿穿”施工理念不僅使得道路距離大量增加，還會浪費大量的資源。隧道技術的發(fā)展正在慢慢解決這個問題，越來越多的大跨距的隧道工程隨著隧道施工技術的不斷發(fā)展而出現(xiàn)在人們的視野之中[1-3]，體現(xiàn)出其重要性。

隨著高速公路向著越來越偏遠的地區(qū)發(fā)展，復雜的地質(zhì)條件導致隧道施工的難度也在不斷增加，隧道施工中最重要的就是根據(jù)不同的圍巖類型設計出相應的支護結構和施工方案，確保隧道的整體穩(wěn)定性和工程安全性。現(xiàn)在工程上常用的新奧法是建立在現(xiàn)代巖石力學理論基礎之上的一種施工方法，該方法主要是利用圍巖的自身承載能力，加上輔助錨噴支護和混凝土等加固手段，以提升圍巖的整體穩(wěn)定性[4-5]。但是隨著施工環(huán)境的變化，圍巖的塑性區(qū)域會較以前有所擴大，圍巖的整體穩(wěn)定性減弱和位移增加問題給施工技術和傳統(tǒng)的圍壓認知體系提出了新的挑戰(zhàn)[6-10]。

在目前的隧道工程建設上，存在的最主要的問題仍然是支護結構問題，在不同的施工環(huán)境之下，如軟弱圍巖等，如何保證初期支護結構的承載能力、錨桿的功能和二次襯砌的安全性等問題。為了解決以上問題，就需要充分考慮圍巖的類型、受力特點和變形因素，根據(jù)因素之間的協(xié)調(diào)作用設置合理的支護結構，以確保施工的科學性與可行性。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

為了研究軟弱圍巖隧道支護結構設計，本文選取西南地區(qū)某高速公路中一個隧道為研究對象，這條高速公路穿過大量的山嶺地區(qū)，橋隧比例高達72%左右，本次研究的隧道綜合考慮了地質(zhì)條件和地形地貌等影響因素，避開大斷層和大坡度，為單純研究圍巖穩(wěn)定性對于隧道工程整體安全性減少了許多其他因素。經(jīng)過地質(zhì)調(diào)查，得到該隧道內(nèi)圍巖等級的劃分情況如表1所示，從表中可以看出，該隧道軟弱圍巖占比居多，因此需對軟弱圍壓狀態(tài)下的支護結構進行研究，以確保工程的整體安全性。

除了上述圍巖等級，氣溫、降雨和地下水等因素也是隧道工程施工必須考慮的因素，經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，總體特征表現(xiàn)為夏季炎熱、冬季寒冷和雨量較多。該地區(qū)年平均氣溫為14.4 ℃，偶爾最高氣溫可達40 ℃，偶爾最低氣溫可至-8 ℃;年平均降雨量為487 mm，主要多集中在夏季的7、8和9月，這三個月總的降雨量占全年降雨量的50%以上;隧道施工區(qū)的地下水類型主要為基巖裂隙水，包括基巖風化和構造兩類裂隙水，洞身區(qū)域的地下水主要為構造裂隙水，洞口等其余地方地下水主要為基巖風化裂隙水。通過分析以上數(shù)據(jù)，對于地下涌水量制定出的預測方法為降水入滲法和地下徑流模數(shù)法兩種。

1.2 計算模型

在確定了圍壓等基本地質(zhì)參數(shù)后，為了探究支護結構的整體穩(wěn)定性，就需要研究圍巖在開挖過程中的應力和變形情況。本文為了研究圍巖在開挖過程中的情況，引入Midas NX有限元軟件，對洞口段Ⅵ圍巖進行數(shù)值模擬分析，計算參數(shù)包括隧道埋深22 m、側(cè)向取值46 m、下方深度22 m、隧道斷面及幾何尺寸和支護結構體系按設計要求。圍巖和支護結構參數(shù)如表2和表3所示。

開挖方法為上下臺階開挖法，這種方法雖然施工步驟較多，但是能充分地發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)定性，施工步驟分為以下9個：（1）激活初始狀態(tài)下的相關參數(shù);（2）對施工巖體進行鈍化開挖，并釋放40%荷載系數(shù);（3）激活上部分支護結構，并釋放30%荷載系數(shù);（4）對第三步剩余荷載系數(shù)進行釋放;（5）鈍化開挖下部分掩體，并釋放40%荷載系數(shù);（6）激活下部分支護結構，并釋放30%荷載系數(shù);（7）對第六步剩余荷載系數(shù)進行釋放;（8）鈍化開挖仰拱區(qū)域，并激活其支護結構;（9）激活二次襯砌部分并改變相應屬性。

2 計算結果分析

2.1 圍巖位移分析

通過研究圍巖的位移變化可以直觀地對圍巖的穩(wěn)定性進行判斷，本次主要計算拱頂、仰拱和拱腳等幾個重要點的位移變化，規(guī)定仰拱向上、拱頂向下、拱腳和邊墻向向內(nèi)的位移為正，計算結果如圖1所示。從圖中可以看出，隧道開挖圍巖的主要位移變化集中在拱頂和仰拱，拱墻和拱腳位移很小，拱墻的最大位移量為2.1 mm，而拱腳的最大位移量為1.87 mm，可以認為圍巖自身穩(wěn)定性良好;拱頂?shù)闹饕冃渭性谇?個施工步驟，之后變形趨于穩(wěn)定，最大變形量穩(wěn)定在11.3 mm左右;而仰拱的主要變形集中在前7個施工步驟，之后變形逐漸穩(wěn)定，最后的值穩(wěn)定在12 mm左右。針對得到的結果可知，仰拱上揚，結構設計時需要進行相應的設計，至于拱頂?shù)南鲁粒S著施工步驟的增加，變形能達到穩(wěn)定，可以認為圍巖自身能穩(wěn)定其變形。總體來說，該種方法和設計能滿足相應的工程要求。

2.2 圍巖應力分析

圍巖不同點的應力值是能直接反應該點受力情況的，因此研究在開挖過程中，特殊點的最大和最小主應力的值就能得到該點是否會存在安全隱患，在上下臺階開挖過程中，各處點的最大和最小主應力圖如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，在初始狀態(tài)下拱頂、拱墻、拱腳、仰拱的最大主應力分別是：-296.4 kPa、-273.5 kPa、-281.9 kPa、-202.8 kPa。從圖中還可以看出，隨著施工步驟的進行，不同點的最大主應力變化情況和趨勢并不一致，但是都有一個共同點，那就是在7個施工步驟以后，所有點的最大主應力值都趨于平穩(wěn)，且都較初始值有所減小，除了拱腳應力值減小較多，其余地方變化并不是很大，需要特別注意的地方就是拱腳在前四個施工步驟時其最大主應力都是在上升的過程，且最大能達到-450 kPa左右，施工中需要進行相應的應對措施。

最小主應力能間接證明上述最大主應力的準確性，從圖3可以看出，與最大主應力變化趨勢有相似之處，那就是最小主應力也是在第7個施工步驟以后，都趨于平穩(wěn)。且能看出，施工開始時，最小主應力能得到迅速釋放，隨著施工繼續(xù)進行，是為了找到一個穩(wěn)定的情況，拱頂在應力釋放后，值穩(wěn)定在-0.78 MPa左右，待下面開挖后，應力再次得到釋放，說明該種方法對于圍巖的穩(wěn)定性有很好的效果，能充分地發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)定性。

3 結語

本文通過選取西南地區(qū)某高速公路中一個含軟弱圍巖隧道為研究對象，通過前期勘察和上下臺階開挖方法，結合Midas NX有限元軟件進行開挖過程中的位移和應力計算，得到開挖過程中仰拱上揚、拱頂下沉、邊墻及拱腳外擴等位移變化規(guī)律，以及圍巖應力隨著施工步驟增加的釋放規(guī)律。所有結果均表明，該支護結構應用于軟弱圍巖隧道施工是可行的。

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收稿日期：2020-05-10