軟弱圍巖隧道噴錨支護(hù)開(kāi)挖時(shí)的圍巖穩(wěn)定性分析

向武松

（保利長(zhǎng)大工程有限公司，廣東 廣州 510660）

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)大規(guī)模鋪開(kāi)，公路隧道不斷向山嶺地區(qū)延伸，山嶺隧道越來(lái)越多。由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變，隧道開(kāi)挖面臨的問(wèn)題也多種多樣，軟弱圍巖是隧道施工中較常見(jiàn)的施工難題[1-3]。軟弱圍巖的整體變形較大，開(kāi)挖過(guò)程容易發(fā)生坍塌，因此針對(duì)軟弱圍巖開(kāi)挖時(shí)的圍巖穩(wěn)定性探討十分必要。

一、工程概況

隧址區(qū)位于中低山地區(qū)，隧道穿越山體陡峻，流水侵蝕嚴(yán)重，地形起伏較大，自然坡度約30°～40°，局部45°～55°，植被發(fā)育茂盛，主要為果樹(shù)及灌木叢，隧址區(qū)最大標(biāo)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(zhì)為連續(xù)、均質(zhì)及各向同性，初始地應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力，即，采用摩爾—庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則[7]。初期支護(hù)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(shí)體單元模擬。

計(jì)算區(qū)域橫向120m、豎向80m、縱向30m，模型方向規(guī)定為：隧道開(kāi)挖方向?yàn)閅軸正向，豎直向下為Z軸正向，隧道掘進(jìn)橫斷面向左方向?yàn)閄軸正向。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(fēng)化土，厚度為7.5m；第2層土為風(fēng)化巖，厚度為17.5m；第3層土為軟巖，厚度為55m。采用噴錨支護(hù)的方式，錨桿采用2×1.8m的間距布置，結(jié)構(gòu)單元示意圖如圖2所示。

（二）模型參數(shù)

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則（JTG/TD70-2010）》[8]，隧道的圍巖參數(shù)如表1所示，支護(hù)參數(shù)如表2所示。

（三）隧道開(kāi)挖過(guò)程

隧道開(kāi)挖支護(hù)采用錨噴支護(hù)，開(kāi)挖進(jìn)尺為2m，I.S.為隧道初始狀態(tài)，開(kāi)挖步數(shù)S1～S16。S1時(shí)實(shí)施第一步開(kāi)挖和錨桿支護(hù)，S2時(shí)實(shí)施第二步開(kāi)挖和錨桿支護(hù)，以及前一步的噴混，依次類推，S16時(shí)實(shí)施S15的噴混工作，具體施工支護(hù)過(guò)程如表3所示。

表1 模型計(jì)算土層物理力學(xué)指標(biāo)

表2 噴錨支護(hù)材料參數(shù)

表3 隧道施工步數(shù)

三、數(shù)值模擬結(jié)果分析

（一）開(kāi)挖過(guò)程圍巖位移分析

隨著隧道開(kāi)挖的推進(jìn)及其對(duì)周邊圍巖的位移影響范圍不斷擴(kuò)大，位移最大處基本分布在隧道拱頂及拱底位置。在開(kāi)挖S1后隧道總位移最大值為2.03mm，開(kāi)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(kāi)挖步數(shù)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(kāi)挖S16后隧道總位移值為4.92mm。

分析發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖至S14時(shí)，隧道總位移最大值DT值出現(xiàn)了突變，從S13的4.85mm突變至7.15mm，S15開(kāi)挖后又減小至4.93mm；隧道總位移最大值DT出現(xiàn)在掌子面靠中心位置處，距貫通僅剩最后2m進(jìn)尺，此時(shí)掌子面土體較薄，穩(wěn)定性下降，存在位移過(guò)大風(fēng)險(xiǎn)。

（二）開(kāi)挖過(guò)程圍巖應(yīng)力分析

依據(jù)模擬結(jié)果可知，水平應(yīng)力最大值出現(xiàn)在底部土體位置。水平應(yīng)力最大值S—XX隨著開(kāi)挖步數(shù)逐漸增大，最大值為1.79×102kN/m2。

開(kāi)挖完后拱頂豎向應(yīng)力最大值為15.9kN/m2。拱腰豎向應(yīng)力最大值變化較大，整體變化幅度相對(duì)較小，最大值為－1.95×103kN/m2。中正號(hào)表示受拉，負(fù)號(hào)表示受壓。因此拱頂、拱底處應(yīng)注重支護(hù)，盡量避免拉應(yīng)力出現(xiàn)。

四、結(jié)語(yǔ)

本文利用Midas/GTS，分析隧道施工過(guò)程圍巖的總位移、水平應(yīng)力及豎向應(yīng)力的變化，結(jié)論如下：

隨著開(kāi)挖步數(shù)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(kāi)挖S14，總位移最大值DT值出現(xiàn)突變，DT出現(xiàn)在掌子面靠中心位置，掌子面存在位移過(guò)大風(fēng)險(xiǎn)，臨近貫通時(shí)需注意掌子面穩(wěn)定性。

圍巖水平應(yīng)力分布未明顯集中，最大值為1.79×102kN/m2，出現(xiàn)在底部土體位置，隨開(kāi)挖步數(shù)逐漸增大。

隨著拱頂豎向應(yīng)力不斷增大，增幅不斷減小（最大值為15.9kN/m2），拱腰豎向應(yīng)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(duì)于軟弱圍巖受壓能力較強(qiáng)而受拉能力較弱，開(kāi)挖過(guò)程應(yīng)注重支護(hù)拱頂、拱底處。