隧道支護結構體系及其協同作用研究

曾征

摘 要：為了提高公路隧道建設水平，本文首先探討了隧道失穩機理和常見支護形式，隨后提出來隧道支護體系協同作用原理，并以某公路隧道為研究對象，以拱頂下沉和周邊收斂評價指標來分析其支護效果，研究成果可為類似的隧道支護設計提供一定的理論指導。

關鍵詞：公路隧道;支護體系;協同作用;加固效果

0 引言

隨著我國基礎交通設施建設的不斷完善，公路工程的建設步伐也日益加快。在公路建設期間，為了提高公路指標、降低開挖工程量等，往往會采用隧道工程。但是，公路隧道地質條件及斷面受力復雜，如果設計施工不當可能出現隧道塌方事故，輕則影響施工進度，重則造成人員傷亡和經濟損失。選擇經濟合理的隧道支護方案已經成為工程技術人員需要解決的重要問題[1]。因此，研究隧道支護結構體系及其協同作用具有十分重要的工程意義。

1 公路隧道失穩機理分析

理解公路隧道的破壞形式和破壞機理對于支護結構形式設計至關重要。隧道破壞主要有兩種形式：一種是隧道開挖出現臨空面，巖體自重荷載下產生掉塊現象;另一種是圍巖強度不足或支護結構設計不合理，引起了隧道結構大面積坍塌。這是因為初始應力狀態的巖體受到隧道開挖活動影響，會破壞巖體內部的應力平衡，引起圍巖內部應力的重新分布，從而導致圍巖變形或破壞。

1.1 軟弱巖體破壞

軟弱巖體的圍巖級別低、強度小，且可能充填富水泥沙，常表現為塑性屈服或彈塑性屈服。如果圍巖結構較均勻時，隧道坍塌以拱形冒落為主;如果圍巖結構不均勻，可能發生局部塌方、側鼓、底鼓等病害。

同時，隧道軟弱圍巖屈服變形基本是逐漸擴展的，如層狀節理圍巖隧道的塌方是先由拱頂沿層理面滑移下沉產生豎向裂隙，使得邊墻應力釋放，導致邊墻巖體崩落。此時，圍巖壓力會慢慢傳遞到隧道頂板，頂板應力增加。當頂板應力值超過圍巖強度，隧道結構發生破壞。

1.2 碎裂巖體破壞

碎裂巖體破壞形式以崩塌與滑動為主，其破壞規模受巖體碎裂程度、含泥量及巖塊間的接觸關系影響較大。如果碎裂圍巖中的巖塊間的接觸是剛性接觸，則巖體在變形期間巖塊會相互擠壓，產生較大阻力，隧道發生大規模塌方的可能性較小;反之，碎裂圍巖含泥量較高，巖塊間接觸以柔性接觸為主，支護參數設計不合理，容易導致隧道圍巖大變形，直至坍塌。

2 公路隧道支護形式及協同作用系統

2.1 隧道常見支護形式

2.1.1 襯砌支護

襯砌是公路隧道應用最廣泛的支護形式之一。襯砌結構的柔性和整體性較好，可視作一種環形或拱形結構體，其主要作用是防止關鍵塊體掉落，改善隧道巖層的應力狀態，并對圍巖變形起著一定的約束作用，但并非依靠襯砌自身強度來承受圍巖塊體沖切壓力。隧道圍巖施加在襯砌的荷載包括偶然荷載、可變荷載和永久荷載三類，其中偶然荷載發生概率較小，有爆炸沖擊、地震等災害;可變荷載是隨時間變化的荷載，如車輛荷載、施工荷載等;永久荷載一般數值恒定或變化幅度極小，主要有結構自重、土壓力、圍巖壓力等。

2.1.2 錨桿支護

用于隧道圍巖支護的常見錨桿形式有全長粘結型（水泥漿、樹脂粘結等）、端頭錨固型（機械式、粘結式等）、摩擦型（楔管式、縫管式等）和混合型。錨桿構造形式簡單，由墊板、錨桿、錨固體等部件組成，其支護隧道的最大特點是從巖體內部來約束圍巖變形，主要功能有：第一，提供支護阻力;第二，將預應力傳遞至隧道壁;第三，在錨固圍巖范圍內形成壓應力區，改善圍巖應力狀分布;第四，提高圍巖整體性，并增強圍巖承受拉力、剪力的能力[2]。此外，隧道圍巖特性不同，錨桿中的力學傳遞計算有很大差別，對力學傳遞影響較明顯的參數有圍巖粘聚力、內摩擦角、抗壓強度。

2.1.3 鋼架支護

鋼架為剛性結構，主要用于隧道開挖的初期支護，并配合初期支護來提高支護體系的承載范圍。鋼架支護設計的關鍵是減小鋼架與圍巖之間的縫隙，使鋼架與圍巖共同受力，填隙處理一般混凝土墊塊。

根據使用材料不同，鋼架可分為鋼拱架和格柵鋼架兩類，前者剛度大，承載能力強;后者重量輕，受力均勻，且能與隧道圍巖緊密貼合。

2.2 隧道支護協同作用系統

由協同理論可知，大量子系統的協同作用會使得整體系統從無序向有序過渡。就公路隧道圍巖支護而言，協同作用就是各種支護形式根據一定的工作方式組合為一個整體，共同提高圍巖承載能力和穩定性。為了實現隧道圍巖的最佳支護效果，可將支護體系間的協同作用劃分成體系協同、結構協同和要素協同等。

3 公路隧道支護協同作用效果評價

以某公路隧道為研究對象，通過軟件FLAC3D建立模型進行數值模擬，并分析隧道支護體系的協同作用效果，評價指標采用拱頂下沉和周邊收斂。

3.1 工程概況

該隧道全長1 275 m，起訖樁號左線ZK24+740～ZK26+015，最大埋深約58.62 m，設計圍巖為強風化花崗巖（Ⅴ級），局部夾中風化，巖層軟硬不均，裂隙發育，巖體極破碎，自穩能力差，無支護時拱部易坍塌，側壁易失穩，開挖工法為上下臺階預留核心土，圍巖開挖后采用XS-Ⅳc襯砌+鋼架+錨桿進行聯合支護。

3.2 隧道有限元模型建立

3.2.1 模型幾何邊界及參數

由相關研究結果可知，隧道塌方發生時掌子面的空間效應影響范圍約為2倍開挖洞徑。為了減小空間效應的影響，計算斷面選擇距開挖面30 m的斷面。利用FLAC3D建立隧道模型時，將其視為平面應變問題來分析，Y方向長度取1，隧道圍巖范圍4倍開挖洞徑。模型初始應力場設為重力應力場，其左邊界、右邊界、下邊界進行X方向、Y方向、Z方向完全約束;上邊界為自由邊界，可發生豎向壓縮變形和水平位移。隧道圍巖及襯砌參數按照相關設計資料、巖土勘察報告、現場施工參數等確定。

3.2.2 網格劃分

網格尺寸、網格數量對數值模擬結果和計算效率影響較大。在綜合考慮圍巖應力變形精確度和計算機運行速度前提下，將隧道斷面區域的網格劃分，向外逐漸變稀。其中隧道開挖采用空模型，隧道的襯砌和仰拱采用shell單元，共劃分出2 865單元，3 428個節點。

3.3 計算結果分析

開挖后隧道在進行聯合支護后，拱頂變形和周邊收斂有了明顯的降低，此時拱頂累計位移為26.2 mm，周邊收斂累計值為40.5 mm。隨著監測時間的增加，拱頂沉降和周邊收斂是持續增加，但增加速率逐漸變緩。即當監測時間小于40 d，拱頂沉降和周邊收斂的變化速率較快（近似線形）;當監測時間超過40 d，拱頂沉降和周邊收斂變化幅度較小，此時隧道的拱頂下沉速率<0.5 mm/d，周邊收斂速率<1.0 mm/d，滿足《公路隧道施工技術規范》（JTG/T 3660-2020）中關于允許變形速率的規定。

4 結語

本文深入分析了公路隧道支護類型、支護體系間的協同作用系統及效果，主要得到以下幾個方面的結論：（1）隧道常見支護形式有襯砌支護、錨桿支護、鋼架支護等。（2）隧道圍巖的各種支護形式能協同作用，共同提高圍巖承載能力和穩定性。（3）隧道支護體系間的協同包括體系協同、結構協同和要素協同等。（4）隧道支護體系間的協同作用能提高圍巖強度和穩定性，建議推廣應用。

參考文獻：

[1]孫振宇，張頂立，房倩，等.隧道支護結構體系協同優化設計方法及其應用[J].巖土工程學報，2021，43（3）：530-539.

[2]孫毅，張頂立.隧道復雜支護結構體系的協同作用原理[J].工程力學，2016，33（12）：52-62.

[3]張頂立，孫振宇，侯艷娟.隧道支護結構體系及其協同作用[J].力學學報，2019，51（2）：577-593.