山區高速公路巖溶隧道圍巖與支護結構穩定性研究

李海鴻，郭延輝，宋 琴，黃永華，付小兵

（1.云南建投第六建設有限公司，云南 玉溪 653199； 2.昆明理工大學 公共安全與應急管理學院，云南 昆明 650093）

隨著國家“一帶一路”倡議的深入實施，西南喀斯特山區高速公路網的建設達到了前所未有的規模。與此同時，西南喀斯特山區巖溶隧道的數量和里程也不斷增加。隧道開挖將破壞巖體原巖應力平衡狀態，從而引起圍巖應力重分布，導致隧道建成后圍巖可能出現一定的變形和破壞，嚴重時會出現冒頂、塌方等。特別是隧道經過巖溶地段時，由于巖溶地區特殊的地質條件，圍巖松散破碎，巖土體穩定性往往較差，突水突泥、垮塌等災害較多，可能嚴重威脅隧道的施工和運營安全。因此，對山區巖溶隧道建成后的圍巖與支護結構的穩定性進行研究具有重要意義。

鑒于近年來我國隧道建設數量和難度不斷增加，眾多學者對隧道施工和運營的圍巖與支護結構進行研究，并且已經取得了較為豐富的成果。張幸等分別應用DP 與EDP 模型對隧道進行數值模擬，并與解析解進行三方對比，得出應用EDP 模型的數值模擬結果更接近實際，解析解塑性區半徑比數值模擬小。鐘愛軍等建立了隧道上穿溶洞的計算模型，通過數值模擬手段分析了該施工條件下管片襯砌結構穩定性的變化規律。李曉剛等進行了室內巖溶隧道模型試驗，分析了不同溶洞分布大小、不同節理傾角及降雨等條件下隧道襯砌受力規律。鄭現菊等基于三維數值模擬仿真，分析了隧道圍巖及支護受隱伏溶洞的影響。

綜上可以看出，雖然針對隧道穩定性的研究較為豐富，但對巖溶發育區隧道圍巖與支護結構的穩定性研究方面還不足。本文以西南山區某巖溶隧道為背景，采用三維數值分析方法，對隧道建成后圍巖及支護結構穩定性進行分析，研究成果對該隧道的運營安全具有指導意義。

1 工程概況

某隧道位于廣西與云南兩省的交界處，是一座雙向四車道分離式隧道，隧道左線全長1080m（廣西段長671m，云南段長409m），右線長1052m（廣西段長652m，云南段長400m），由廣西、云南各自施工所轄范圍段，在兩省交界位置處實現貫通。隧道斷面采用曲墻式，寬8.66m，高7.10m，最大埋深約為80m，最小埋深為8m。

本文重點針對隧道Ⅲ級圍巖段進行開挖支護計算分析。所研究隧道段地質情況如下：地表為少量紅砂巖覆蓋，下伏地層為石灰巖，中厚層狀構造，中風化或微風化，巖體較破碎，局部地段存在少量滲水或滴水現象，產生較大規模涌水可能性小，但洞室地處巖溶發育區。

2 隧道支護參數設計

隧道設計采用全斷面法開挖，開挖后及時施作相應的初期支護，初期支護穩定后施作二次襯砌。初期采用Φ22 藥卷錨桿，L=2.5m，按梅花形布置，并結合巖層產狀適當調整錨桿位置和方向，噴射10cm 厚C25 混凝土加鋼筋網支護；二次襯砌為噴射35cm 厚的C30 混凝土，如圖1所示（圖1中尺寸除鋼筋、鋼管直徑以mm計，其余均以cm 計）。圖中Φ22 藥卷錨桿僅示一半，另一側關于隧道中心線對稱布置，邊墻及拱部設鋼筋網應焊接在系統錨桿外露端。鋼筋網全斷面布設，鋼筋網采用Φ8 鋼筋，網格尺寸為2525cm，鋼筋網片采用梅花形焊接。

圖1 隧道復合式襯砌結構設計斷面圖

3 計算模型及力學參數

3.1 計算模型的構建

三維數值模型計算選取垂直隧道走向方向120m，沿隧道走向方向140m，高度方向最高117m。三維模型的單元總數為196730，節點總數為276572，整體計算模型見圖2，隧道襯砌及錨桿布置模型見圖3。在模型的左右邊界，固定X 方向的位移，在模型的前后邊界，固定Y 方向的位移，在模型底部，固定三個方向的位移，模型頂部為自由邊界。

圖2 三維力學模型圖

圖3 隧道襯砌及錨桿布置模型圖

3.2 巖土力學參數及計算本構模型

計算所采用的巖土體力學參數依據某隧道工程地質勘察報告以及國內外類似工程巖土體力學參數而確定，見表1，結構力學參數見表2。計算采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構模型。

表1 巖土體力學參數

表2 結構力學計算參數

4 隧道建成后圍巖及支護結構穩定性分析

4.1 隧道圍巖穩定性分析

圖4為隧道建成后總位移分布圖，可以發現，隧道圍巖位移主要集中在頂板和底板中間位置，位移最大值為1.747mm，位于隧道埋深最深處，主要原因是隨著埋深的增加，地應力一般也隨之增加。隨著埋深的降低，隧道總位移呈現逐漸減小的趨勢。為了便于分析隧道橫斷面上的應力位移分布情況，本文重點選取剖面X=-75m 作為典型剖面進行開挖支護分析。隧道建成后，剖面X=-75m 圍巖頂板下沉，底板隆起，頂板最大垂直位移為1.75mm，底板最大隆起量為1.50mm，隧道X 方向水平位移均較小，沒有超過規范要求，隧道整體穩定狀態較好。

圖4 建成后隧道圍巖總位移分布圖

隧道開挖支護后，由于開挖卸荷作用，頂底板應力得到了一定釋放。從最大主應力來看（圖5），隧道底板最大主應力為0.149MPa，頂板最大主應力為0.424MPa，在隧道邊墻部分出現了壓應力集中，最大主壓應力為2.905MPa。隧道圍巖最小主應力在頂底板處出現了一定的拉應力集中，拉應力最大值為0.295MPa，沒有超過隧道襯砌所用混凝土強度標準值，基本不會發生由于強度不足引起的安全問題。

圖5 建成后隧道圍巖最大主應力分布圖

4.2 隧道襯砌結構穩定性分析

圖6為隧道建成后二次襯砌總位移圖。不難發現，隧道建成后初襯和二襯位移分布規律和數值大小基本接近，襯砌拱頂最大位移值為1.747mm。隧道左線和右線襯砌結構位移隨著隧道埋深的增加而逐漸增大，變形規律較為一致。可以看出，隧道襯砌整體位移較小，未超出規范要求。

圖6 建成后隧道二襯總位移圖

圖7為隧道二襯最大主應力圖，可以看出，隧道二襯最大主應力和最小主應力同初襯一致也均表現為壓應力，其中二襯最大主應力極值7.822MPa，較初襯增大2.225MPa，位于埋深較深部位的拱腳處。最小主應力整體表現為壓應力，在拱腳位置出現了一定的拉應力，拉應力最大值為0.286MPa。

圖7 建成后隧道二襯最大主應力分布圖

4.3 隧道建成后錨桿結構可靠性分析

隧道建成后錨桿出現一定的位移，其中沿豎直方向最大位移出現埋深最深處，最大值為1.747mm，隨著隧道埋深的降低，錨桿豎向位移逐漸減小。水平方向最大位移出現在隧道中部位置附近靠近隧道一端，其值為0.244mm。

圖8為錨桿結構軸力分布圖，隧道開挖支護完成后，錨桿軸力以受拉為主，隨著隧道埋深的增加，錨桿軸力逐漸增大。錨桿最大軸力為9.347kN，基本在允許范圍內。

圖8 錨桿結構軸力分布圖

5 結論

本文應用三維有限元數值計算軟件MIDAS GTS NX對某山區巖溶隧道建成后的圍巖和襯砌的穩定性，及錨桿的可靠性進行模擬分析，通過計算分析，主要得出以下結論：

（1）運用三維數值計算軟件MIDAS GTS NX 進行隧道開挖，圍巖與支護結構穩定性分析是行之有效的，該軟件在襯砌，錨桿等支護單元建模上具有一定的優勢。

（2）隧道開挖支護建成后，隧道拱頂下沉最大值為1.747mm，底板向上隆起最大為1.50mm，隧道圍巖、襯砌和錨桿等位移均較小，隧道襯砌和錨桿受力狀態較好，表明該山區巖溶隧道整體圍巖及支護結構基本處于穩定。

（3）通過數值模擬仿真，計算分析得到該隧道的整體穩定性，進一步驗證了該巖溶隧道開挖支護參數設計的合理性，研究成果對該類山區巖溶隧道的支護參數的設計及隧道穩定性控制具有一定的借鑒意義。