基于數值模擬的軟弱圍巖隧道初期支護參數優化研究

關鍵詞：軟弱圍巖；初期支護；參數優化；錨桿

中圖分類號：U455.7 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.WCcst.2025.03.037

文章編號：1673-4874（2025）03-0130-04

0 引言

隨著我國基礎交通設施建設的快速發展，隧道不可避免地需要穿越復雜地質區域[1]。軟弱圍巖是一種典型的復雜地質類型，其較低的承載力和較大的變形潛力常常導致隧道施工面臨較大的安全風險[2]。

為了有效控制隧道圍巖的變形，保障工程施工的安全與順利進行，如何優化隧道支護系統設計成為了當前研究的重點[3-4]。隨著工程實踐的深入，現場監測和數值模擬成為研究圍巖時空變化規律的重要手段[5，對此大量學者進行了深入研究。徐鈺斌等采用FLAC3D軟件對松散軟弱圍巖巷道的掘進方案進行模擬，并對支護工藝進行了優化，通過現場監測驗證了該方案的有效性。儲亮等依托重慶陶家隧道，通過現場監測和數值模擬結合的方式研究了不同超前加固方式下隧道的變形和受力情況。王志龍等8基于巖土控制變形分析法，通過有限差分軟件，對不同軟弱圍巖參數條件下的隧道全斷面開挖情況進行數值模擬。

基于此，本文以某軟弱圍巖隧道實際工程為背景，分析了圍巖大變形的機理，通過現場監測確定圍巖變形情況，通過數值模擬研究了不同支護措施對圍巖變形及支護系統應力分布的影響。研究可為復雜地質條件下隧道施工的安全控制提供理論依據和技術支持。

時，產生的應力集中區域可能導致塑性流動或剪切滑移，從而引發大規模變形。

地下水滲透作用降低了圍巖的有效應力，進而降低其抗剪強度，增強了圍巖的變形能力。在濕潤環境下，圍巖的孔隙水壓力也可能進一步加劇變形，甚至在極端情況下引發圍巖的液化現象。

在高地應力環境下，圍巖將面臨較大的剪切應力，這些應力會在局部區域導致塑性流動或斷裂，尤其在弱結構面或裂隙集中的地方，變形更加顯著。

此外，施工方法及支護系統的設計也是影響軟弱圍巖大變形的重要因素。不同的開挖方式（如鉆爆法、盾構法）會產生不同程度的擾動。若支護措施不及時或設計不當，圍巖的初期變形未能得到有效限制，隨著施工的推進，變形會逐漸加劇，最終可能導致支護失穩或圍巖塌方。

合理的初期支護設計是防止軟弱圍巖大變形的關鍵措施之一。初期支護應根據圍巖的力學性質、地下水條件以及開挖進度進行精確設計，確保支護結構在開挖初期能夠有效承受圍巖的變形和外部擾動。常見的初期支護措施包括錨桿、噴射混凝土、鋼支撐等，支護設計的強度、剛度和靈活性需要根據實際圍巖的變形特征進行優化。

1軟弱圍巖大變形機理

軟弱圍巖的大變形機理源于其物理力學性質與外部擾動的相互作用。

軟弱圍巖通常具有較低的抗壓強度、較低的剛度以及較高的塑性，這使其在應力作用下表現出顯著的塑性變形。當隧道開挖破壞了圍巖的原始應力狀態時，圍巖內的應力迅速重分配，尤其在圍巖強度不足以抵抗應力

2 現場監測分析

本文依托工程為我國西部地區某山嶺隧道，該隧道采用分離式設計，左線全長19030m，右線全長19100m，最大埋深約630m。隧道所處地段存在危巖落石、滑坡、泥石流等多種不良地質。

隧道圍巖大變形段為V級泥巖，具有較高的軟化性，且遇水易崩解，表現出較強的膨脹性，在遇水或受到外界擾動時，圍巖的穩定性可能大幅下降，進而引發圍巖失穩、支護失效等風險。為有效控制圍巖擾動，確保施工的安全性和穩定性，采用CRD法進行施工。為了實時掌握圍巖變形的動態演化情況，確保施工過程中安全，選取該段4個典型斷面監測其初期支護后的拱頂和拱腰變形，結果如圖1所示。

2的拱頂沉降量最大，直至監測期結束該數據仍然保持增長且其增長速率明顯高于其他3個斷面。對比4個監測斷面的拱腰收斂變形曲線可知，斷面1和斷面2的最終變形值較大，但是其后期增長速率緩慢，而雖然斷面4和斷面3水平收斂的最終值較小，但其增長速率較大。故綜上認為，斷面3的大變形危險程度最高。

3基于數值模擬的初支參數優化

3.1數值模型及參數

現場監測受到施工環境、空間限制和施工進度等因素影響，且監測需要大量的人工干預和維護，結果的處理和分析通常依賴于專家經驗，可能存在一定的主觀性。為了克服現場監測的局限性，本文采用數值模擬技術對圍巖變形進行深入研究。

依托工程左右線隧道分別施工，左線先行施工，施工完成后進行右線施工。前文監測是針對左線隧道進行的，本節數值模擬針對左線隧道斷面3進行，其三維模型如圖2所示。模型長 100m 高 100m 、寬40m，四周采用法向約束，底部采用全約束。土體采用摩爾-庫侖模型，錨桿、噴射混凝土和鋼拱架均采用結構單元模擬。由于該隧道為深埋隧道，故在模型頂部施加15 MPa 的荷載以模擬上部土體壓力。具體材料參數如表1所示。

由圖1可知，4個斷面的拱頂沉降變形和拱腰收斂變形趨勢類似，初期支護實施后，在監測前期迅速增長，后逐漸放緩。

斷面1在初期支護第3d時，拱頂和拱腰變形都發生了突增，前3d的變形量占總變形量的 50% ；9d之后，拱頂沉降放緩；而在17d之后，拱腰收斂放緩，拱頂和拱腰變形在后期逐漸趨于穩定。拱頂沉降和拱腰收斂的變形趨勢基本對應變化。

斷面2監測點變形在前期呈現出迅速增長趨勢，后期沉降相對放緩，但依然保持增長。其中，拱頂沉降變形呈現出不規律的增長，在第2d、第4d和第9d時呈現出突發性增長，后續呈現出近線性的增長趨勢；拱腰收斂在前17d呈現出速率較大的線性增長，后期呈現出速率較慢的線性增長。

斷面3監測點變形在前19d總體呈現出無規律的增長趨勢，其總體增長速率較快，后期表現出近線性的增長，增長速率較前期有明顯放緩。

斷面4監測點變形在前19d總體呈現出無規律的增長趨勢，其先增長后放緩，又大幅增長；后期監測點表現出非常緩慢的線性增長。

對比4個監測斷面的拱頂沉降變形曲線可知，斷面

3.2 錨桿參數優化

該斷面原設計采用5m長的錨桿，25cm厚的C25噴射混凝土，間距為50cm的I20a號鋼拱架對圍巖進行初期支護。

為研究不同錨桿長度對該斷面圍巖穩定性的影響，本文將錨桿長度分別設置為 3.m.5m.7 m和9m這四種工況進行分析。開挖結束后，各工況的拱頂沉降和拱腰收斂結果如圖3所示。由圖3可知，隨著錨桿長度的增加，圍巖變形有明顯的減小，但其對圍巖變形的控制作用并不一致。當錨桿長度從3m增長至7m時，錨桿增長對圍巖變形存在明顯的控制作用，但是當錨桿長度 gt;7m 時，對減小圍巖變形的效果明顯降低。

在這四種工況下，錨桿的最大軸向應力分別為81 MPa 、122 MPa 、138MPa和180 MPa ，即隨著錨桿長度的增加，其最大軸力明顯增大。而拱頂、拱腰、拱腳等關鍵位置的軸向應力變化如圖4所示。由圖4可知，隨著錨桿的增長，隧道各關鍵位置的錨桿軸向壓力均有所增加，這主要是因為錨桿長度增大之后和巖層的接觸增多，則其阻力也變大，從而起到了整體的支護作用。但是當軸力過大時，可能會造成錨桿被拉斷，因此在實際工程中應當選擇合理的錨桿長度。

當錨桿長度為 3～7 m時，其最大軸向應力出現在拱頂處，最小軸向應力出現在左右拱腳處；當錨桿長度為9m時，其最大軸向應力出現在左右拱腰處，拱頂和左右拱腳處的應力相對較小。當錨桿長度分別為3m和5m時，拱頂、拱腰和拱底的錨桿軸向應力差別較大；當錨桿長度分別為7m和9m時，各關鍵位置的錨桿軸向應力差別有明顯減小。

錨桿長度的增加改善了支護系統的剛度和圍巖的應力分布，導致隧道各關鍵位置（如拱頂、拱腰、拱底）的應力差異逐漸減小。在錨桿長度較短時，支撐效果較弱，圍巖的變形和應力差異較大；隨著錨桿長度的增加，支撐效果逐漸增強，圍巖的應力分布變得更加均勻，應力差異減小，最終在較長錨桿（如7m和9m）時，各個關鍵位置的應力差異明顯減少。

在這四種工況下，關鍵位置鋼桁架的軸向應力變化如圖5所示。由圖5可知，隨著錨桿的長度增加，隧道各關鍵位置的鋼桁架軸向應力存在明顯的減小趨勢。當錨桿長度從3m增長到7m時，由于支護體系的剛度有顯著提升，圍巖變形得到有效增強，鋼桁架軸向應力的減小速率相對較大，而當錨桿長度從7m增長到9m時，支護效應趨于平緩，故鋼桁架軸向應力的變化較為平緩。綜合考慮經濟性和安全性認為錨桿長度為7m時最佳。

3.3噴射混凝土厚度優化

為研究噴射混凝土的厚度對該斷面圍巖穩定性的影響，本文將噴射混凝土厚度分別設置為21cm、23cm、25cm、27cm和29cm五種工況，對其進行分析。開挖結束后，各工況的拱頂沉降和拱腰收斂結果如圖6所示。由圖6可知，隨著噴射混凝土厚度的增加拱頂沉降和拱腰收斂變形值存在明顯的降低。但當其從27cm增大至29cm時，隧道拱腰收斂仍處于明顯的下降趨勢，而拱頂沉降已逐漸平緩。

在這五種工況下，關鍵位置噴射混凝土的軸向應力變化如圖7所示。由圖7可知，隨著噴射混凝土厚度的增加，拱頂和拱腰位置的噴射混凝土軸向應力都隨之減小，而拱腳處的噴射混凝土軸向應力變化相對較小。由此可見，噴射混凝土厚度的增加有效地增強了隧道支護系統的剛度和支撐能力，對拱頂和拱腰位置的支撐效果尤其顯著，使這些位置的噴射混凝土軸向應力顯著減小。而在拱腳位置，由于其受力狀態較為穩定，噴射混凝土的厚度變化對其軸向應力的影響較小，因此拱腳的噴射混凝土軸向應力變化相對較小。綜合考慮經濟性和安全性認為噴射混凝土厚度為27cm時最佳。

4結語

針對某軟弱圍巖隧道實際工程，本文對其大變形機理進行分析，結合現場監測研究了不同斷面拱頂沉降和水平收斂的動態變化情況，選出最危險斷面，通過數值模擬進行研究，分析了不同支護參數對圍巖變形和支護系統應力分布的影響，得出如下結論：

（1）通過對4個典型斷面的拱頂和拱腰變形進行實時監測，發現變形在開挖初期迅速增長，隨后逐漸趨于平緩。在不同斷面中，拱頂沉降和拱腰收斂的變形趨勢有所不同，尤其在斷面3，拱頂沉降量最大，且變形速率高于其他斷面，顯示出該斷面存在較高的大變形風險。監測數據揭示了圍巖變形的時空變化規律，為后續的支護措施調整和優化提供了寶貴的依據。

（2）錨桿長度對圍巖變形的控制具有顯著影響。當錨桿長度從3m增加至7m時，圍巖的變形得到有效控制，最大軸向應力也有所增加，但當錨桿長度 gt;7 m后，增大錨桿長度的效果逐漸減弱。綜合考慮安全性與經濟性，7m的錨桿長度為最佳選擇。

（3）噴射混凝土厚度的增加對拱頂和拱腰位置的支護效果更加明顯。隨著噴射混凝土厚度從21cm增加到29cm，拱頂沉降和拱腰收斂變形均顯著降低，而拱腳位置的軸向應力變化相對較小。最優的噴射混凝土厚度為27cm，既能有效提高支護剛度，又能確保支護系統的經濟性。

參考文獻

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