草果山隧道支護措施優(yōu)化

曲 宏 略， 吳 昆 銘， 張 勇， 李 學 華， 李 彪， 張 建 經

(1.西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500；2.天然氣地質四川省重點實驗室，四川 成都 610500；3.云南省建設投資控股集團有限公司市政總承包部，云南 昆明 650000；4.西南交通大學，四川 成都 610031)

1 概 述

隨著我國基礎設施建設的發(fā)展，公路、鐵路工程在我國西南部呈網狀鋪開，隧道的數(shù)量不斷增多，隧道埋深也越來越大，如二郎山隧道、秦嶺終南山隧道等，高應力隧道的施工安全也得到越來越多的關注。因此，如何在確保施工安全條件下，合理優(yōu)化支護措施，對于高應力隧道建設具有非常重要的意義。近年來，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，數(shù)值計算方法被廣泛應用到隧道監(jiān)測驗證和預測之中[1-6]。對于針對初期支護優(yōu)化的研究，陶志剛[7]等通過數(shù)值模擬軟件對NPR錨索間距進行優(yōu)化，通過與現(xiàn)場試驗結果的對比分析，提出了該方案的優(yōu)化方向。何尉詳?shù)萚8]為解決隧道仰拱初期支護鋼拱架缺失，根據數(shù)值模擬計算結果，采用中空注漿錨桿對仰拱進行注漿補強，取得較好的整治效果。

申志軍[9]等開展現(xiàn)場試驗對初期支護不同組合形式進行研究，其結果表明在深埋巖質隧道初期支護中，采用“網噴+鋼架”或“網噴+系統(tǒng)錨桿”即可。關寶樹[10]指出初期支護的重要施工原則即必須使之與圍巖成為一體才能發(fā)揮其功能，初步設計的支護方案應視施工中圍巖的揭露情況靈活變動。

已有的研究在隧道支護過程圍巖變形特征與安全評估方面取得了重要成果，擬采用數(shù)值模擬,對比草果山隧道輕微巖爆段在不同支護措施下隧道的變形規(guī)律，對隧道原支護方案進行優(yōu)化，并在現(xiàn)場實際工程中驗證了該優(yōu)化方案的合理性與可行性，能夠為類似工程提供參考。草果山隧道為蔓耗至金平高速公路的最長分離式隧道，屬于控制性工程。草果山隧道起訖樁號：左線ZK33+947.04-ZK40+952，右線YK33+955-YK40+960。隧道全長7 005 m，為特長隧道，海拔高程介于1 125～2 126 m之間，相對高差1 001 m，最大埋深903.8 m，隧道圍巖以二長巖與花崗巖為主。現(xiàn)場在K35+140處進行了地應力測試，根據測試結果并參照陶征宇判據，判斷結果為輕微巖爆，并且在K35+480(埋深507 m)處曾出現(xiàn)輕微掉塊和異常聲響，屬輕微巖爆現(xiàn)象。根據現(xiàn)場的施工情況以及考慮到輕微巖爆對隧道支護的安全性影響較小[11]，筆者選擇草果山隧道K35+200—K35+600輕微巖爆段進行取消鋼拱架的優(yōu)化措施，通過研究該段圍巖的變形情況來判斷支護措施優(yōu)化的效果。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 數(shù)值模型

選取K35+200—K35+600段作為計算模型，該模型見圖1，計算模型長400 m，寬570 m，頂面按照實際地形選取高程。利用Hypermesh軟件進行網格劃分，加密了隧道及附近網格，共劃分90 288個單元，并導入Flac3D5.0軟件進行計算。

圖1 隧道計算模型圖

2.2 邊界條件及計算參數(shù)

隧道模型底面和四個側面施加法向固定位移約束，上表面為自由邊界。巖體應力應變關系計算采用適于巖土體力學行為的Mohr-Coulomb本構模型。根據室內三軸試驗結果與草果山隧道地質資料，選取該模型的巖體物理力學性質參數(shù)見表1。根據現(xiàn)場資料，K35+200—K35+600區(qū)段圍巖級別及設計支護參數(shù)見表2。

表1 巖體物理力學性質參數(shù)

表2 K35+200—K35+600區(qū)段圍巖級別及設計支護參數(shù)表

初期支護考慮錨桿、鋼拱架、鋼筋網和噴射混凝土的共同作用，采用等效的方法考慮鋼拱架及鋼筋網，初期支護力學參數(shù)取值[12]見表3。

2.3 方案設計及計算結果

數(shù)值模擬的錨噴支護模型圖見圖2。該次研究共設計3種支護方案，具體方案見表4。隧道采用全斷面分步開挖方式，5 m一次開挖，開挖完成后進行支護，再繼續(xù)循環(huán)開挖。對隧道拱頂與兩側邊墻位移變化進行監(jiān)測，并根據位移變化分析隧道開挖與支護過程中的變形情況。

表3 初期支護力學參數(shù)

圖2 錨噴支護模型

表4 方案設計

(1)方案一。錨桿間距為1.0 m×1.0 m，錨桿長度為2.5 m，混凝土選用C25，噴射混凝土厚度為0.22 m。鋼拱架間距為1.2 m。K35+600處位移云圖見圖3。

(a) X向位移云圖

(b)Z向位移云圖圖3 方案一位移云圖(m)

(2)方案二。取消鋼拱架，錨桿間距為1.0 m×1.0 m，錨桿長度為2.5 m，混凝土選用C25，噴射混凝土厚度為0.12 m。K35+600處位移云圖見圖4。

(a) X向位移云圖

(b)Z向位移云圖圖4 方案二位移云圖(m)

(3)方案三。取消鋼拱架，錨桿間距為1.0 m×1.0 m，錨桿長度為3.5 m，混凝土選用C25，噴射混凝土厚度為0.12 m。K35+600處位移云圖見圖5。

(a) X向位移云圖

(b)Z向位移云圖圖5 方案三位移云圖(m)

選取K35+250、K35+350、K35+450、K35+550四個典型剖面進行分析，將三個支護方案位移計算結果整理后見表5。

表5 三個支護方案位移計算結果表

方案一拱頂最大沉降量為0.42 cm，總收斂值最大為2.1 cm。方案二是在方案一的基礎上取消了鋼拱架，拱頂最大沉降量達到0.9 cm，增大了114.3%，總收斂值最大為2.32 cm，增大了10.5%，說明鋼拱架對隧道變形控制具有一定的作用，尤其是對拱頂?shù)某两悼刂菩Ч^為明顯。方案三是在方案二的基礎上將錨桿加長了1 m，其拱頂沉降量和最大收斂值為0.86 cm和2.35 cm，相較于方案二，拱頂沉降量與洞周收斂值有4.4%與1.3%的變化，可以表明加長錨桿對支護作用效果有所提升，但提升效果不明顯。

由于公路隧道監(jiān)控量測沒有全國統(tǒng)一的規(guī)范標準，且鐵路隧道安全等級高于公路隧道，參考鐵路規(guī)程[13]，方案二與方案三皆滿足其初期支護極限位移30 mm的要求。但由于該段處于巖爆發(fā)生段，而巖爆的發(fā)生又具有突發(fā)性與不可預知性，為保證施工人員的作業(yè)安全，選擇方案三作為試驗段的支護措施。

3 試驗段監(jiān)測結果分析

草果山隧道在K35+564-K35+600段進行了試驗段，在原設計支護類型上取消了鋼拱架支護措施，采用方案三支護措施進行支護。通過對現(xiàn)場的監(jiān)控量測，得到試驗段的變形情況。隧道周邊位移與拱頂沉降測點布置示意圖見圖6，分別在試驗段三處位置對洞內變形的情況進行監(jiān)控測量，其結果見表6。

圖6 隧道周邊位移與拱頂沉降測點布置示意圖

表6 試驗段監(jiān)控量測洞內變形數(shù)據匯總及結果一覽表

根據草果山隧道后期現(xiàn)場試驗段結果及現(xiàn)場半個月的監(jiān)控量測報告，未觀察到巖爆現(xiàn)象，監(jiān)測斷面拱頂最大下沉量為1.05 cm，而數(shù)值模擬結果拱頂最大下沉量為0.93 cm，數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗段實際情況較吻合。草果山試驗段監(jiān)測結果滿足規(guī)范要求，因此，在草果山隧道巖爆預測結果為輕微巖爆段采取取消鋼拱架的措施是可行的。

4 結 語

筆者通過數(shù)值模擬手段及現(xiàn)場試驗段監(jiān)測驗證，針對草果山隧道預測結果為輕微巖爆段區(qū)域進行了巖爆防治的支護措施設計優(yōu)化研究。

(1)采用數(shù)值模擬，對比分析了三種不同的支護方式下圍巖變形特征，表明在取消了鋼拱架后，隧道的變形雖然有了一定的增長，但仍然滿足隧道圍巖變形安全規(guī)范要求，草果山隧道輕微巖爆段具備取消鋼拱架支護的可行性。

(2)對草果山隧道K35+564-K35+600段進行取消鋼拱架的現(xiàn)場試驗，根據現(xiàn)場試驗段變形監(jiān)測結果表明在取消了鋼拱架后，隧道的拱頂下沉量最大為0.74 cm，洞周收斂值最大為1.05 cm，收斂值滿足安全規(guī)范要求。實際監(jiān)測數(shù)據與模擬結果有較好的一致性，驗證了數(shù)值模擬計算結果的合理性。

(3)通過對草果山隧道的支護措施優(yōu)化，取消了鋼拱架的架設，降低了支護成本，加快了施工進度，為類似工程提供了參考。