高地應力軟巖大變形隧道單雙層初期支護結構力學特性研究

摘要：為了研究高地應力軟巖大變形隧道適宜支護方案，文章以華麗高速公路東馬場1號隧道為例，基于FLAC 3D軟件開展數值模擬，對比分析了單雙層初期支護兩種支護方案下的洞周圍巖變形與支護結構力學特性。結果表明：采用雙層初期支護能有效地降低隧道洞周圍巖位移，其中隧道變形較大的拱頂部位沉降量減小了13.67%；雙層初期支護的施作讓第一層初期支護更好地發揮了承載作用；雙層初期支護大幅度減輕了二次襯砌的受力，有效地保障了高地應力偏壓軟巖大變形隧道的施工與長期運營的安全性；針對高地應力軟巖大變形隧道宜采用雙層初期支護的支護方案。

關鍵詞：公路隧道；軟巖大變形；雙層初支；力學特性；數值模擬

中圖分類號：U455.7" " " 文獻標識碼：S" " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.028

文章編號：1673-4874（2024）11-0089-04

引言

在我國中西部地區的各類基礎設施建設如火如荼的開展過程中，大量公路也投入了建設。但西部地區地質條件復雜，廣泛存在軟巖地層，該地層具有強度低、對施工的干擾敏感、變形發展速度快的特點，導致軟巖大變形問題通常發生在高地應力條件下的隧道［1-4］。軟巖大變形常常會導致支護結構出現開裂破壞嚴重的現象［5-8］，進一步增加施工難度、產生質量問題，并危及隧道的施工和運行安全［9-11］。因此，開展高地應力軟巖隧道的支護結構力學特性的深入研究是十分有意義的。

支護結構在控制洞周圍巖變形與調整圍巖受力等方面發揮著重要的作用，諸多學者針對支護結構設計開展了大量研究。韓常領等［12］提出施做雙層初期支護后，支護結構和洞周圍巖的協同變形更加勻稱；王萬平等［13］依托木寨嶺隧洞實際工程，根據數值模擬與現場試驗相結合的成果，優化了基于主動支護的初期支護體系；馬棟等［14］總結歸納麗香鐵路、玉磨鐵路和成蘭鐵路等多個高地應力軟巖隧道的施工經驗，提出考慮預留變形量、采用雙層初期支護和錨桿共同支護可以有效地改善初期支護強度，可以有效地抑制大變形；鄭可躍等［15］依托玉磨鐵路萬和隧道，通過多工況比選及現場觀測，得出在第一層初期支護變形達到一定程度后施作第二層鋼拱架，能夠起到控制圍巖變形的作用。

依托大量的工程實踐，眾多學者在隧道支護結構體系等方面都已經開展了一系列的研究并取得了一定成果。但隨著我國西部地區高速公路隧道建設的深入開展，越來越復雜的地質條件對隧道建設提出了更高的要求，至今仍然沒有建立起一種科學實用并且行得通的技術保證系統。綜上，本文依托華麗高速公路東馬場1號隧道，采用有限差分數值模擬的研究方法，開展了高地應力軟巖大變形隧道單雙層初期支護結構力學特性的研究，有關成果可對我國西部山區即將修建的相關隧道的建設和運營有一定的參考和借鑒意義。

1工程背景

東馬場1號隧道是華坪至麗江高速公路的一項控制性工程。隧道長度為5 210 m，最大埋深為613 m。隧道區海拔高程為1 870～2 512 m，相對高差為643 m。隧道區位于構造剝蝕斷塊高山地貌區，縱斷面如圖1所示。隧道先后穿越侏羅系下統馮家河組f1）與泥盆系中統碳山坪組D12）地層，地形崎嶇且多基巖出露，軟巖占比較大，其中Ⅳ級、Ⅴ級圍巖占比高達68.9%，泥巖和灰巖占主導地位，其特點是巖體強度偏低，流變顯著。

在施工過程中，隧道出現了明顯變形及結構破壞問題，如初期支護侵限剝落，鋼拱架的折疊斷裂，二次襯砌開裂以及仰拱隆起破壞等，如下頁圖2所示。隧道洞周圍巖在初期時變形速率與變形量較大，收斂困難、持續變形的時間長，并且在鋼拱架失效之后，隧道洞周圍巖變形在停工期仍然存在擴大趨勢。

東馬場1號隧道研究區段的圍巖以灰巖和泥巖為主。公路隧道相關規范中并沒有明確對圍巖大變形進行分級，因此參考《鐵路隧道設計規范》TB 10003-2016）表1）［16］，對圍巖大變形的分級按照圍巖的強度應力比值Rb/σmaxRb為圍巖強度、σmax為最大地應力，如表2所示）進行劃分，故確定選定研究區段按照Ⅲ級大變形強烈大變形）進行處治設計。

未開挖段的開挖工法采用三臺階法施工，支護結構采用雙層初期支護，如圖3所示。

2數值模型的建立

2.1計算參數

隧道典型斷面的邊界應力具體數值如表3所示，其中y方向為隧道軸線方向。

2.2數值模型

為研究分析高地應力軟巖大變形隧道單雙層初期支護結構力學特性，通過收集資料和現場調研，以FLAC 3D軟件模擬實際地應力情況下，采用單層初支、雙層初支兩種初期支護模式，如圖4所示。

為滿足圣維南定理，降低模型邊界條件對計算結果的干擾，模型邊界與隧道洞身距離宜大于三倍洞徑，因此，以隧道中軸線為基線，上下左右各距60 m設定模型邊界，縱向長度為60 m，邊界尺寸為120 m）長×60 m）寬×120 m）高，如圖5所示。

模擬以三臺階法進行開挖，開挖進尺為1 m。在模擬隧道開挖的計算過程中，利用FLAC 3D軟件中的空單元模擬山嶺隧道的開挖，并假設隧道圍巖是符合Mohr-coulomb屈服準則的各向同性理想彈塑性體。初期支護厚度為31 cm，二次襯砌厚度為70 cm。土體設置為均質彈塑性材料，并采用Mohr-Coulomb強度準則的彈塑性本構模型。圍巖、初期支護與二次襯砌使用實體單元，錨桿使用cable單元。

在數值模擬計算過程中，提取隧道洞周圍巖位移、第一層初期支護應力、第二層初期支護應力與二次襯砌應力結果，對隧道采取單雙層初支下的圍巖變形與支護結構受力進行分析。通過對比計算結果為現場施工提供參考。監測斷面取數值模擬中隧道中間位置即y30 m的截面），選取拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳、拱底共計8個監測點，其布置如圖6所示。

3單雙層初期支護力學特性研究

3.1洞周圍巖變形分析

提取采用單雙層初期支護下開挖模擬計算完成后的各監測點圍巖隨開挖步的位移變化時程曲線，如圖7所示。

數值模擬過程中記錄了各測點的隧道洞周圍巖位移。從圖7可以看出，模擬結果顯示隧道拱頂和拱底的位移較大，水平位移方面呈拱腰gt;拱腳gt;拱肩的分布規律，即下臺階水平位移大于上臺階水平位移，越靠近隧道下部洞周圍巖變形越大的趨勢。

雙層初期支護的施作有效地限制了圍巖位移。從豎向位移來看，隧道拱頂沉降變化量最為明顯，雙層初期支護與單層初期支護相比，隧道拱頂沉降減少了13.67%；隧道仰拱隆起減小了6.37%。從水平位移來看，呈現下臺階水平位移最大，上臺階水平位移最小的趨勢，雙層初期支護的施做對上臺階水平位移的影響最大，拱肩收斂減小量達到了7%左右，拱腰收斂與拱腳收斂減小量分別為6%、4%左右。

綜上所述，在相同地層與初始應力條件下，雙層初期支護的施做能夠有效地降低隧道洞周圍巖位移和發生災害的可能性，確保隧道開挖施工的安全與可靠。

3.2初期支護受力分析

通過數值模擬得知初期支護處于受壓狀態，因此分別提取單層初期支護下的初期支護，以及雙層初期支護下第一二層初期支護各監測點的最小主應力，如圖8所示。

由圖8可知，當采用單層初期支護時，初支中拱頂、拱肩、拱腰處所受的壓力比較大，最大壓應力出現在拱頂，約為12.64 MPa。當采用雙層初期支護時，第一、二層初期支護均承受壓應力。第一層初期支護中最大壓應力出現在拱頂，約為23.14 MPa；第二層初期支護中最大壓應力也出現在拱頂處，約為24.53 MPa。

為更直觀地對比單雙層初支中支護結構力學特性差異，匯總兩種支護方案下第一層初期支護的最小主應力值，如圖9所示。

從圖9可以看出，初期支護以受壓為主，采用雙層初期支護時，拱頂、拱肩、拱腰以及拱底處應力增幅較大。拱頂處的應力相較采用單層初期支護時增大了83%；拱肩處的應力增大了71%；拱腰處的應力增大了95%；拱底處的應力增大了66%。由此可知，當采用雙層初期支護時，第一層初期支護所承受的應力有較大幅度的增加，說明在這種情況下能夠讓第一層初期支護充分地發揮支護作用，避免第二層初期支護承受的應力過大，對隧道的施工開挖更為有利。

3.3二次襯砌受力分析

分別提取單雙層初期支護下的二次襯砌的最小主應力，如圖10所示。

由圖10可知，和初期支護不同，單層初期支護下的二次襯砌承載一定的拉應力，二次襯砌拱底處拉應力最大達到了3.25 MPa，最大壓應力出現在左拱肩處，為8.84 MPa。而在施做雙層初期支護的情況下，二次襯砌均承載壓應力且最大壓應力出現在右拱腳位置，達到4.25 MPa。

由于二次襯砌并非各位置均承載壓應力，因此取應力的絕對值并繪制單雙層初期支護下二次襯砌最小主應力對比圖，如后頁圖11所示。

從圖11中可以看出，采用雙層初期支護時，二次襯砌拱頂處的應力相對于采用單層初期支護時減小了52%；拱肩處的應力減小了65%；拱腰處的應力減小了[K0.13mm]58%；拱腳處的應力減小了44%；拱底處的應力減小了90%?？梢姰斨ёo體系采用雙層初期支護時，大幅度地減輕了二次襯砌的受力，降低了二次襯砌發生開裂病害的可能性。

綜上，綜合對比圍巖隧道洞周圍巖位移與支護結構力學特性，采用雙層初期支護的洞身支護，不僅有效地降低隧道洞周圍巖位移，尤其是隧道變形較大的拱頂部位，而且雙層初期支護的施做讓第一層初期支護更好地發揮了承載作用，大幅度減輕了二次襯砌的受力，有效地保障了高地應力偏壓軟巖大變形隧道的施工與長期運營的安全性，因此采用雙層初期支護的洞身支護在此類破碎軟弱圍巖地層條件下適用性較高。

4結語

本文依托華麗高速公路東馬場1號隧道工程，通過現場調研并結合數值模擬，分析了高地應力軟巖大變形隧道單雙層初期支護結構力學特性，得到的主要結論如下：

（1）施作雙層初期支護能有效地限制圍巖位移。隧道豎向位移變化量最為明顯，施作雙層初期支護后隧道拱頂沉降減少了13.67%；同時拱肩收斂減小了7%左右，拱腰收斂與拱腳收斂分別減小6%、4%左右。

（2）初期支護以受壓為主，施作雙層初期支護后，第一層初期支護所承受的應力增大66%～83%，充分地發揮支護作用，避免第二層初期支護承受的應力過大。

（3）單雙層初期支護下的二次襯砌分別主要承擔拉應力與壓應力，且采用雙層初期支護后二次襯砌承擔應力減小40%～90%，大幅度地減輕了二次襯砌的受力，降低了二次襯砌發生開裂病害的可能性。

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基金項目：中建股份科技研發計劃資助項目“穿越程海活動斷高地應力偏壓破碎軟巖隧道施工及營運關鍵技術研究”編號：CSCEC-2021-Z-26）

作者簡介：李皓1981—），碩士，高級工程師，主要從事公路工程、隧道工程工作。

收稿日期：2024-05-18