淺埋水工隧道支護方案對比研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.023

摘" 要：淺埋水工隧道的建設對于現代城市發展具有戰略價值，對其支護結構的研究在隧道的安全性、穩定性、經濟性及使用壽命上均具有重要意義。該文以信陽市某淺埋水工隧道項目為例，擬定4種不同工況，通過 FLAC3D 數值模擬軟件對其中一段隧道進行支護方案對比分析。結果表明，工況3滿足工程安全性要求，且具有較高的經濟適用性，研究結果可為相關水工隧道施工建設提供參考。

關鍵詞：淺埋隧道；水工隧道；數值模擬；支護方案；優選

中圖分類號：U455.4" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0091-04

Abstract： The construction of shallow hydraulic tunnel is of strategic value for the development of modern city， and the research on its supporting structure is of great significance in the safety， stability， economy and service life of the tunnel. In this paper， taking a shallow hydraulic tunnel project in Xinyang City as an example， four different working conditions are drawn up， and the support schemes of one section of the tunnel are compared and analyzed by FLAC3D numerical simulation software. The results show that Working Condition 3 meets the safety requirements of the project and has high economic applicability， and the research results can provide reference for the construction of relevant hydraulic tunnels.

Keywords： shallow tunnel; hydraulic tunnel; numerical simulation; support scheme; optimization

隨著我國城鎮化和工業化進程的快速推進，淺埋水工隧道的建設需求越來越大，對其展開研究具有重要的現實意義和戰略意義。早期國內已有學者對隧道相關理論及現場實踐等方面進行研究，在隧道施工方法[1-2]、穩定性方面[3]等研究均取得一定成果。隨著計算機的發展，數值模擬被運用于隧道研究中[4-6]，大大提高了相關研究的深度與精度。截至今日，我國有關隧道的研究已取得較大成果，但針對水工隧道的研究較少，缺乏系統性的研究和規劃，較難滿足工程建設發展需要。

本文以信陽市某淺埋水工隧道項目為例，利用Flac3d數值模擬軟件對其水工隧道的支護方案進行研究，通過多工況下的數值模擬和綜合評價分析，確定安全穩定性和經濟效益綜合優越的支護施工方案，旨在為水工隧道施工建設提供參考。

1" 模型設置

1.1" 工程概況

隧道洞身段圍巖類別以Ⅰ類、Ⅳ類為主，少量為Ⅴ類，洞身段Ⅱ類圍巖約占70.13%，Ⅰ類圍巖約占2.02%，Ⅳ類圍巖約占26.10%，Ⅴ類圍巖約占1.75%。

1.2" 模型創建

采用 FLAC3D 軟件進行建模，截取隧道中經過Ⅴ級圍巖和斷層破碎帶等特殊地層的地段進行隧道支護研究，研究區域隧道埋深約為18～20 m，隧道寬6.1 m，高6.045 m，其圍巖主要以花崗巖為主，隧道所穿巖層為強風化花崗巖。根據以往的隧道力學資料，基于應盡量減少“邊界效應”影響的原則，模型邊界橫向上一般取隧道中心到左右邊界的距離約3～5倍洞徑，而模型下邊界到洞底的距離為2～3倍洞徑，即建模時橫向以隧道中線位置向兩側各取25 m、豎向取仰拱底部以下30 m、豎向上邊界為地表，沿隧道縱向取30 m。網格基本為1.5 m×1.5 m×1.5 m的六面體網格，隧道附近加密處理，隧道模型共包括實體單元42 238個，節點33 461個，創建模型如圖1所示。

巖層參數由實測值取得，見表1。

1.3" 設計工況

為研究不同支護方案對隧道圍巖穩定性的影響，擬定4種工況進行對比分析，工況1為不施加支護方案；工況2支護參數較施工支護方案更加輕便；工況3為施工支護方案；工況4支護參數較施工支護方案更加保守。

根據施工方案和SL 27—2016《水工隧洞設計規范》，隧道支護設計方案為初期支護在拱頂位置設水泥砂漿錨桿和進行噴射混凝土。以下為各工況的支護參數和計算參數，見表2和表3。

對于不同支護工況的隧道，通過隧道位移、支護錨桿所受應力、噴混的位移來進行分析，進而優選合理的支護工法。

2" 結果分析

2.1" 不同材料參數位移

通過軟件模擬，可以得到4種工況對應的位移云圖（圖2）。

由圖2可知，工況1隧道位移最大處在拱頂位置，位移隨拱頂位置向兩側減小，隧道側壁和拱腳位置為水平變形位移。由于隧道埋深較淺且開挖洞徑較大，隧道拱頂上方地表發生豎向位移，兩側也有水平位移。工況2、工況3和工況4為不同支護參數下圍巖位移情況，工況2位移最大位置依舊在拱頂位置，水平位移最大在側壁位置；工況3、4位移拱較小，不同工況下位移對比見表4。

由模擬結果可知，工況1模擬結果可以得出每段隧道開挖后圍巖位移較大，圍巖無法自穩，需要進行支護。工況3和工況4相較于文獻[7]所得結果接近，支護是圍巖穩定性的關鍵因素，支護參數優選應以支護結構不變為前提，選用不同材料參數進行模擬比較，選出最佳方案。工況2所用支護材料約束作用過小，工況3、4約束作用達到預期效果，適合工程開挖支護。

綜上，隧道開挖需要對圍巖進行必要的支護措施，并且對于實際工程要選擇更加經濟實用的支護方案，所以工況3所用材料適合隧道開挖支護。

2.2" 錨桿應力分析

由于工況1無支護措施，故僅對工況2、3、4進行分析比較，以工況2為例，錨桿應力如圖3所示。

由圖3可知，該工況下錨桿受力分布規律為：單根錨桿受力兩端小中間大，整體則是隧道兩端錨桿受力較中間錨桿受力大，錨桿最大受力為50 MPa。工況3、4錨桿受力分布規律與工況2相同，其中，工況3最大受力為22.2 MPa，工況4最大受力為15.7 MPa，除工況2外都沒有超過文獻[7]中23 MPa的錨桿受力安全范圍。

從數值中能看出工況2錨桿所受應力過大，超過錨桿極限應力范圍；工況3和工況4錨桿應力較工況2有極大改善，并且根據文獻[7]可得工況3、4中錨桿所受應力未超過錨桿極限應力范圍。根據實際工程的經濟實用需求，更適合選用工況3。

2.3" 隧道噴混位移分析

由于工況1無支護措施，故僅對工況2、3、4進行分析比較，以工況2為例，噴混位移如圖4所示。

由圖4可知，工況2位移主要發生在拱頂、拱腳和側壁位置，其中，拱頂主要為豎向位移，拱腳部位由于應力集中，豎向和水平位移皆有，側壁主要為水平位移，工況3、4位移規律與工況2相同，各工況隧洞位移總結見表5，與文獻[7]結果相比，各工況模擬結果均在安全范圍內，符合實際工程的現狀。

由表5可知，工況2位移最大，其變形位移對隧道的安全性造成影響，無法滿足實際工程的需求。工況3、4滿足工程安全需求，且位移相接近，考慮經濟實用性，工況3所用材料適用于實際工程需要。

2.4" 合理性分析

通過隧道施工監測數據與數值模擬結果進行對比分析，驗證數值模擬結果的合理性，通過不同隧道段所處地層和斷面類型，設置典型剖面位移監測布置圖（圖5）。

多點位移計通過靠近隧道一側為測點1依次布置到測點4進行監測圍巖位移，通過監測數據與數值模擬結果進行比較，結果見表6。

由表6可知，數值模擬隧道圍巖變形位移結果與現場施工監測數據結果總體上誤差小于10%，且誤差率隨離隧道的距離增大而增大，這是由于圍巖距離隧道越遠變形越小，而多點位移計監測數據存在人工放置和儀器本身的客觀誤差等影響因素，導致其在變形較大區域的監測結果會更為準確。通過監測數據和模擬結果對比分析，驗證了數值模擬方法的可行性，可為現場施工提供參考。

3" 結論

本文通過對隧道支護措施采用不同的材料參數，分為4種工況，通過4種工況模擬結果和參考文獻提供的數據進行對比分析支護結構對隧道圍巖變形的影響，并優選出最佳支護方案。總結出以下結論。

①由隧道位移分析可知，工況1隧道無法自穩，需通過支護結構限制圍巖變形。工況2支護無法滿足要求，工況3、4所用支護能夠達到圍巖穩定的效果，根據實際工程的經濟實用需求，選用工況3較為合適。②由錨桿應力分析可知，各工況下錨桿應力均體現為兩端小，中間大的情況，且兩端大多為壓應力，中間為拉應力。比較文獻[7]可知工況2錨桿應力超過極限應力，工況3、4錨桿應力在極限應力范圍內，根據實際工程的經濟實用需求，選用工況3較為合適。③由噴混位移分析可知，主要位移均在拱頂、拱腳和側壁位置。比較文獻[7]，工況2位移較大，會對隧道圍巖安全造成影響，工況3、4位移均滿足工程安全需求，且位移程度相似，根據實際工程的經濟實用需求，選用工況3較為合適。④通過數值模擬與現場施工監測數據結果對比，可知兩者誤差小于10%，驗證了數值模擬方法的可行性。

通過上述總結分析，在支護結構參數的對比中，工況3所使用材料更符合實際工程的需求，結果可以為水工隧道施工建設提供參考。

參考文獻：

[1] 王夢恕.隧道工程淺埋暗挖法施工要點[J].隧道建設，2006（5）：1-4.

[2] 張偉.淺埋大斷面黃土隧道地表裂縫成因及其防治措施——為我國西北黃土地域地鐵工程推薦經驗[J].現代城市軌道交通，2007（3）：29-31.

[3] 龔曉南，鄭穎人.巖土塑性力學基礎[M].北京：中國建筑工業出版社，1989.

[4] 來弘鵬，黃鵬志，劉禹陽，等.董志黃土塬地區.淺埋隧道施工地表縱向裂縫發展時空規律研究[J].隧道建設（中英文），2019，39（8）：1232-1238.

[5] 鮑靈高，嚴標.淺埋暗挖黃土隧道圍巖變形控制研究[J].貴州大學學報（自然科學版），2018，35（5）：106-110.

[6] 王昆，王育平.扁平率對淺埋大跨度隧道圍巖穩定性的影響[J].土木工程與管理學報，2019，36（6）：150-155.

[7] 李建敦，肖靖，江鴻，等.淺埋軟巖隧道大變形特征及控制措施[J].科學技術與工程，2022，22（3）：1243-1249.

作者簡介：羅飛（1998-），男，碩士研究生。研究方向為水利水電工程。