軟弱圍巖隧道噴錨支護開挖時的圍巖穩定性分析

向武松

（保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510660）

隨著我國基礎設施建設大規模鋪開，公路隧道不斷向山嶺地區延伸，山嶺隧道越來越多。由于地質條件復雜多變，隧道開挖面臨的問題也多種多樣，軟弱圍巖是隧道施工中較常見的施工難題[1-3]。軟弱圍巖的整體變形較大，開挖過程容易發生坍塌，因此針對軟弱圍巖開挖時的圍巖穩定性探討十分必要。

一、工程概況

隧址區位于中低山地區，隧道穿越山體陡峻，流水侵蝕嚴重，地形起伏較大，自然坡度約30°～40°，局部45°～55°，植被發育茂盛，主要為果樹及灌木叢，隧址區最大標高為864.143m，隧道為雙線單洞。

二、模型建立及施工階段

（一）隧道模型建立

假定圍巖性質為連續、均質及各向同性，初始地應力場為自重應力，即，采用摩爾—庫倫屈服準則[7]。初期支護中噴射混凝土采用2D板單元模擬；錨桿采用1D植入式桁架單元模擬；巖體采用3D實體單元模擬。

計算區域橫向120m、豎向80m、縱向30m，模型方向規定為：隧道開挖方向為Y軸正向，豎直向下為Z軸正向，隧道掘進橫斷面向左方向為X軸正向。模型邊界X、Y方向位移面施加約束；底部邊界Z方向位移面施加約束。模型高度范圍有3層土體，第1層土為風化土，厚度為7.5m；第2層土為風化巖，厚度為17.5m；第3層土為軟巖，厚度為55m。采用噴錨支護的方式，錨桿采用2×1.8m的間距布置，結構單元示意圖如圖2所示。

（二）模型參數

根據《公路隧道設計細則（JTG/TD70-2010）》[8]，隧道的圍巖參數如表1所示，支護參數如表2所示。

（三）隧道開挖過程

隧道開挖支護采用錨噴支護，開挖進尺為2m，I.S.為隧道初始狀態，開挖步數S1～S16。S1時實施第一步開挖和錨桿支護，S2時實施第二步開挖和錨桿支護，以及前一步的噴混，依次類推，S16時實施S15的噴混工作，具體施工支護過程如表3所示。

表1 模型計算土層物理力學指標

表2 噴錨支護材料參數

表3 隧道施工步數

三、數值模擬結果分析

（一）開挖過程圍巖位移分析

隨著隧道開挖的推進及其對周邊圍巖的位移影響范圍不斷擴大，位移最大處基本分布在隧道拱頂及拱底位置。在開挖S1后隧道總位移最大值為2.03mm，開挖S2后總位移值增大至3.1mm，總位移最大變化差值VDT為1.08mm，隨著開挖步數隧道總位移最大值DT的不斷增大，總位移最大變化差值VDT在不斷減小，直至開挖S16后隧道總位移值為4.92mm。

分析發現開挖至S14時，隧道總位移最大值DT值出現了突變，從S13的4.85mm突變至7.15mm，S15開挖后又減小至4.93mm；隧道總位移最大值DT出現在掌子面靠中心位置處，距貫通僅剩最后2m進尺，此時掌子面土體較薄，穩定性下降，存在位移過大風險。

（二）開挖過程圍巖應力分析

依據模擬結果可知，水平應力最大值出現在底部土體位置。水平應力最大值S—XX隨著開挖步數逐漸增大，最大值為1.79×102kN/m2。

開挖完后拱頂豎向應力最大值為15.9kN/m2。拱腰豎向應力最大值變化較大，整體變化幅度相對較小，最大值為－1.95×103kN/m2。中正號表示受拉，負號表示受壓。因此拱頂、拱底處應注重支護，盡量避免拉應力出現。

四、結語

本文利用Midas/GTS，分析隧道施工過程圍巖的總位移、水平應力及豎向應力的變化，結論如下：

隨著開挖步數總位移最大值DT不斷增大，變化差值VDT不斷減小，總位移值為4.92mm。

開挖S14，總位移最大值DT值出現突變，DT出現在掌子面靠中心位置，掌子面存在位移過大風險，臨近貫通時需注意掌子面穩定性。

圍巖水平應力分布未明顯集中，最大值為1.79×102kN/m2，出現在底部土體位置，隨開挖步數逐漸增大。

隨著拱頂豎向應力不斷增大，增幅不斷減小（最大值為15.9kN/m2），拱腰豎向應力最大值變化越大，整體幅度變化越小（最大值為－1.95×103kN/m2）。對于軟弱圍巖受壓能力較強而受拉能力較弱，開挖過程應注重支護拱頂、拱底處。