某巷道工程治理數值分析研究

朱 剛

（中國鐵建國際投資集團有限公司）

國外某巷道工程長度約為620 m，包括圓形硐室1座、長方形硐室1座、主通道2條。主通道大部地段采用素噴混凝土支護，圓形和長方形硐室采用錨噴網聯合支護，出入口的端處采用鋼筋混凝土襯砌，全部隧道底板均用噴射混凝土回彈料作找平層并壓實。但由于年久失修，經現場踏勘發現，隧道工程素混凝土局部出現開裂、滲水、滴水等不利情況，存在一定安全隱患。為了消除安全隱患，需對該隧道工程開展災害治理分析研究，以保證該工程安全穩定。

1 工程地質分析

1.1 鉆孔取樣工作

利用Maptek-I-SiteSR3三維激光掃描儀形成的地形圖，對國外某隧道工程的鉆孔取樣以及計算剖面（圖1）進行合理布置，從隧道工程東入口開始，每隔50 m布設2個取樣鉆孔，鉆孔深度為50 cm，孔徑為50 mm，設計鉆孔20個，累計進尺10 m，圖2為鉆孔平面位置圖。

1.2 工程地質概況

（1）中厚層狀粗粒長石石英砂巖夾厚層狀細砂巖以4組節理為主：①50°∠70°，4條/m，②218°∠31°，3條/m，③316°∠79°，3條/m，④125°∠85°，1條/m。第2組節理切割第3組，而第4組又切割第2、第3這2組節理，第4組節理面有泥質充填。巷道84.8 m處以1條壓扭性斷層（F5）為主，斷層西壁寬1.2 m，頂寬2 m，東壁寬0.6 m；構造角礫巖經地下水滲透大多已強風化，呈泥狀為多，夾少量未風化完畢的原巖角礫，斷層產狀為5°∠52°；巷道90 m處以3組節理為主，129°∠81°，1～2條/m，切割深，節理面平直，延伸至頂板（圖3）。

（2）中粗粒長石石英砂巖為厚層狀構造，顏色為灰白色，碎屑成份以石英長石為主，膠結物為鈣質、鐵質及少量硅質，有代表性節理有2組：①走向為280°，傾角65°；②走向為230°，近乎直立。巷道135 m處1組節理較發育，密度較大，1 m內達15條之多，巖塊出理擠壓、破碎現象，少數成為碎裂巖，其塊度大小10～15 cm不等，節理產狀走向為275°，傾向為N，傾角為50°。巷道136～144 m巖性較完整，硬度為5.5～6，在南壁出現一夾層，走向為210°，傾向為120°，傾角為33°～35°，頂板巖石較碎裂。長石已高嶺土化，泥質粉砂巖，灰白色泥質粉砂結構，薄層狀構造，成份以粉砂質和泥質為主，土多為高嶺土化，中風化狀，極易脫落（圖4）。

2 計算工況的劃分

（1）工況1。現狀條件下圍巖數值分析（無支護措施）。

（2）工況2。現狀條件下，圍巖在錨桿+錨噴混凝土襯砌情況下數值分析，隧道圍巖支護見圖5。

3 計算參數的選取

本次數值模擬的計算參數依據圍巖體物理力學性質［1-2］試驗，并以相關技術規范與手冊為參考。經綜合分析后確定本次圍巖計算參數見表1。

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4 有限元模型

采用實體計算模型GTS構建方法將該隧道工程地質模型與數值計算模型實現集成和轉換，建立隧道工程數值計算模型見圖6、圖7，對模型采用表中的巖體力學參數進行屬性賦值，采用位移約束邊界條件，即模型的左右（X方面）邊界、前后（Y方向）邊界和底邊界均施加位移約束條件，隧道內部為自由邊界，采用摩爾-庫倫破壞準則［3］對該圍巖巖體進行模擬計算，分析其位移場和塑性區的分布特征與變化規律。

5 計算結果分析

5.1 工況1模擬結果

由圖8～圖11可以看出，在工況1條件下，圍巖位移主要發生在拱頂部位，隧道底板在開挖時由于應力釋放可能發生部分回彈，表現為隆起的現象；沉降等值線基本呈對稱分布［4］，最大沉降量發生在隧道中心處；地層豎向位移距離隧道洞口越遠，其沉降呈逐漸減小的趨勢，直至不發生變化。由塑性區分布可知：隧道圍巖塑形屈服主要發生在隧道的淺層區域，即表層可能發生掉塊、擠壓破壞現象；1—1剖面的豎向位移、塑性區分布較2—2剖面大，主要可能由于1-1剖面隧道跨度以及高度較大所致。

5.2 工況2模擬結果

由圖12～圖15可以看出，在工況2條件下，圍巖位移、塑性區分布圖變化與工況1類似，但較工況1條件下位移變化量降低、塑性區影響區域減小，說明了噴射混凝土與錨桿共同作用對圍巖的位移變化［5］有限制作用，達到了預期效果；軸力圖、網噴混凝土內力圖總體呈對稱分布，拱頂處錨桿內力最大，2—2剖面的錨桿內力、網噴混凝土內力分別為18.5，6.74kN，拱頂處錨桿拉力較大，即頂部區域的錨桿較好地限制了圍巖的塑性變形破壞［5-6］。由網噴混凝土襯砌主應力圖可知：2—2剖面混凝土最大壓應力為6.74 MPa，小于設計混凝土的強度值，故網噴混凝土總體是安全的。

6 結 論

（1）在現狀條件下，圍巖位移主要發生在拱頂部位，底板修建時可能發生部分回彈，表現為隆起的現象，距隧道開挖面越遠，其位移變化逐漸減小，直至無明顯位移變化。位移等值線基本呈對稱分布，最大沉降量發生在隧道中心處；圍巖發生塑形屈服主要在隧道的淺層區域，即表層可能發生掉塊、擠壓破壞現象，總體呈穩定狀態，1—1剖面的豎向位移、塑性區分布較2—2剖面大，主要是由于1—1剖面隧道跨度以及高度較大。

（2）圍巖在采取錨桿+網噴混凝土襯砌后，圍巖位移、塑性區分布圖變化規律與工況1類似，但位移變化量降低、塑性區影響區域減小，說明采用錨桿+網噴混凝土治理措施后達到了預期的支護效果；錨桿內力圖、網噴混凝土內力圖總體呈對稱分布，拱頂兩側處錨桿內力最大，2—2剖面的錨桿內力、網噴混凝土內力分別為18.5，6.74 kN，即頂部區域的錨桿較好地限制了圍巖的塑性變形破壞，此時錨桿作用明顯，治理效果較佳。

（3）在現狀條件下，隧道工程圍巖總體呈穩定狀態，但隧道圍巖的淺層區域隨著時間、應力以及外力等多因素共同作用下，會造成隧道圍巖體淺層發生風化碎裂,從而降低了圍巖體自身強度，乃至出現塌落、擠壓等破壞現象，存在一定的安全隱患。