微風化巖體山區公路隧道圍巖支護研究

羅昌宏

(湖北交投鄂西高速公路建設管理有限公司，湖北 恩施 445000)

隨著我國基礎設施的不斷完善，隧道工程建設規模不斷增大，所面臨的地質、環境情況也越來越復雜，在隧道施工過程中，圍巖變形情況與施工安全性及隧道穩定性密切相關，因此圍巖變形因素與控制方法一直是國內外研究人員的關注重點。

其中杜文通過對實際工程中隧道平緩泥沙巖互層圍巖變形對支護的破壞現象進行研究，分析了平緩砂泥巖互層圍巖變形機理，得出了造成圍巖變形的三個因素，即巖層分布狀態、空間因素和時間因素；沙鵬等針對特殊的非線性大變形破壞現象，將現場實測、模型試驗以及數值模擬結果進行了綜合分析，研究了層片狀圍巖的結構大變形的破壞機制，并提出了相應的支護措施；李干依托實際隧道工程，對其工程特性和變形機理進行分析，研究了高預緊力恒阻錨索在深埋薄層板巖隧道中對圍巖的控制機理，并提出了非對稱高預緊力恒阻錨索支護策略；王云龍通過詳細研究板巖的工程性質來探究板巖隧道施工中工程問題的發生機理，進而對隧道的支護參數及施工方法進行詳細優化；劉平等實際隧道為研究背景，結合數值模擬對比研究，對不同因素對圍巖變形破壞機制的影響規律及各因素影響敏感程度進行研究，并給出了相應工程建議措施。周黎采用多種研究方法對施工期隧道圍巖的時效變形及變形影響因素進行了較系統和深入的研究；卜明慧以實際隧道工程為研究對象，對隧道圍巖結構變形的相關因素進行了分析與研究；周凱分析了不同施工方案下的隧道斷層處斷面圍巖變形、應力釋放和塑性區分布情況，分析了斷層斷面圍巖的穩定性；Jeon，Ji研究了隧道開挖過程中隧道圍巖損傷的影響因素；朱浩波等利用數值模擬的方法，隨圍巖變形隨支護結構施作時機、支護結構厚度、圍巖彈性模量和隧道埋深四種因素的變化規律進行了系統分析。李偉平從國內施工情況與存在問題入手，對引起隧道大變形的原因進行分析，并總結出控制隧道大變形的兩大關鍵點，即選擇合適的施工方法和采取有效控制措施；朱炯等針對運營期公路隧道常見軟弱圍巖和、淺埋偏壓兩種情況分別建立計算模型，研究了結構折減系數與結構狀態的相互關系，并通過襯砌結構的極限應變分布規律研究結構安全狀態，對運營期公路隧道結構失穩破壞模式進行分析。

綜上所述，國內外許多專家針對圍巖變形問題進行了大量研究工作，但仍需深入研究。因此，本文利用數值模擬方法，研究了圍巖變形與噴射混凝土厚度噴射混凝土強度之間的關系。

1 工程概況

分水嶺隧道隧址區橫跨宣恩縣及鶴峰縣之間的分水嶺林場附近，為雙向四車道高速公路隧道，隧道設計速度為80 km/h。根據地質調繪及鉆探揭露，隧址區出露(揭露)巖體主要為石炭系黃龍組(Chn)砂巖；泥盆系中上統(D)泥巖、砂巖、石英砂巖、灰巖、泥灰巖等；志留系上統紗帽組(Ss)薄～中厚層層狀砂巖，巖層呈整合接觸。隧址區地下水不發育，地下水主要為基巖裂隙水，地下水沿裂隙網絡排入地下。

2 數值模型構建及參數選定

本模型采用PLAXIS 3D有限元軟件對分水嶺隧道某典型區段進行模擬分析，為盡量避免邊界效應影響，建模尺寸選取為80 m×90 m×60 m(××)，為水平方向，為隧道軸線方向，為豎直方向。開挖時從=0界面沿軸正向開挖。數值模型如圖1所示。

圖1 數值計算模型

模型地層自上至下依次為微風化灰巖、微風化泥灰巖、微風化泥巖、微風化砂巖和微風化泥灰巖，各地層材料采用Mohr-Coulomb本構模型進行模擬，襯砌及錨桿材料采用線彈性模型進行模擬，具體物理力學參數如表1所示。

表1 地層和材料參數

3 計算工況及結果分析

為分析不同支護參數對隧道圍巖變形的影響，計算工況設計如表2所示。

表2 計算工況設計

表2(續)

3.1 不同噴射混凝土厚度對隧道圍巖變形的影響

為分析噴射混凝土厚度變化對圍巖變形的影響，依據表2中所設計的工況進行模擬計算，計算結果如圖2、圖形所示。

圖2 拱頂沉降值

從圖2中可以看出，隧道圍巖拱頂沉降值與噴射混凝土厚度呈反比，隨著噴射混凝土厚度的增加，隧道圍巖拱頂沉降值逐漸減小。在噴射混凝土強度固定時，噴射混凝土厚度由0.3 m增加至0.4 m，隧道拱頂沉降值減少了約3.5 mm；噴射混凝土厚度由0.4 m增加至0.5 m，隧道拱頂沉降值減少了約4 mm。增加噴射混凝土厚度對降低拱頂沉降效果較為明顯。

圖3 拱底回彈值

從圖3中可以看出，隧道圍巖拱底回彈值與噴射混凝土厚度呈反比，隨著噴射混凝土厚度的增加，隧道圍巖拱底回彈值逐漸減小。在噴射混凝土厚度固定時，噴射混凝土厚度由0.3 m增加至0.4 m，隧道拱底回彈值減少了約0.5 mm；噴射混凝土厚度由0.4 m增加至0.5 m，隧道拱頂隆起值減少了約1.5 mm。增加噴射混凝土厚度對降低拱底回彈值效果不明顯。

3.2 不同噴射混凝土強度對隧道圍巖變形的影響

為分析噴射混凝土強度變化對圍巖變形的影響，依據表2中所設計的工況進行模擬計算，計算結果如圖4、圖5所示。

圖4 拱頂沉降值

從圖4中可以看出，隧道圍巖拱頂沉降值與噴射混凝土強度呈反比，隨著噴射混凝土強度的增加，隧道圍巖拱頂沉降值逐漸減小。在噴射混凝土厚度固定時，噴射混凝土強度由20 GPa增加至30 GPa，隧道拱頂沉降值減少了約9 mm；噴射混凝土強度由30 GPa增加至40 GPa，隧道拱頂沉降值減少了約5.3 mm。增加噴射混凝土厚度對降低拱頂沉降效果明顯。

圖5 拱底回彈值

從圖5中可以看出，隧道圍巖拱底回彈值與噴射混凝土強度呈反比，隨著噴射混凝土強度的增加，隧道圍巖拱底回彈值逐漸減小。在噴射混凝土厚度固定時，噴射混凝土強度由20 GPa增加至30 GPa，隧道拱底回彈值減少了約2 mm；噴射混凝土厚度由30 GPa增加至40 GPa，隧道拱底回彈值減少了約1.5 mm。增加噴射混凝土厚度對降低拱底回彈值效果不明顯。

4 結 論

(1)在隧道圍巖噴射混凝土強度一定時，隧道噴射混凝土厚度與隧道圍巖拱頂沉降值和拱底回彈值均成反比，增加噴射混凝土厚度對降低拱頂沉降效果較為明顯，對降低拱底回彈效果不明顯。

(2)在隧道圍巖噴射混凝土厚度一定時，隧道噴射混凝土強度與隧道圍巖拱頂沉降值和拱底回彈值均成反比，增加噴射混凝土厚度對降低拱頂沉降效果明顯，對降低拱底回彈值效果不明顯。

(3)在隧道開挖過程中，提高圍巖噴射混凝土強度與厚度對于改善隧道拱頂的沉降問題有較好效果，但對于改善隧道拱底回彈效果一般。