基于正交試驗的軟巖隧道復合襯砌參數優化分析

中圖分類號：U455.91 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.055

文章編號：1673-4874（2025）04-0197-05

0 引言

穿越山嶺地區的隧道常遇軟巖等不良地質，其在施工或運營過程中存在失穩破壞的風險，嚴重威脅施工人員的生命安全與行車安全性[1-4]。軟巖隧道一般采用復合襯砌結構，圍巖、初期支護、二次襯砌共同承擔釋放荷載，優化襯砌方案可有效提高隧道的施工穩定性與運營安全性。近年來，國內學者在初期支護參數對隧道圍巖穩定性的影響方面展開了大量研究，而軟巖隧道圍巖的施工穩定性不僅與初期支護結構有關，也與二次襯砌結構聯系緊密，因此在二次襯砌方面的研究還有待進一步完善[5-7]。鑒于此，本文借助于Midas GTS NX軟件進行網格劃分，導入FLAC3D有限差分軟件生成地層-結構數值模型，以圍巖的拱頂沉降、拱底隆起、周邊收斂作為指標，分析初支噴混等級、初支厚度、二襯鋼混等級、二襯厚度等支護參數對圍巖穩定性的影響，得出各因素敏感度排序，提出最優支護方案，為后續軟巖隧道設計、施工、運營養護等工作提供參考。

1 工程簡介

該公路隧道軟弱圍巖段起止樁號為 K1+231.3～ K1+287.5，全長為56.2m，區段埋深為 33.7～65.3m 屬于構造剝蝕中低山地貌。隧道橫斷面為馬蹄形，橫斷面內輪廓設計為五心圓，邊墻、仰拱之間通過1.4m圓連接，內輪廓線設計見圖1。隧道軟弱圍巖區段的地層巖性主要為微風化砂質黏性土，巖石體完整性較差，區域地質構造復雜。隧道支護類型采用復合式襯砌，由初期支護與二次襯砌組成。隧道開挖過程中，遵循新奧法“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”的核心原則。三臺階（不含仰拱）主要施工流程為：上臺階開挖→上臺階初支→中臺階開挖→中臺階初支→下臺階開挖→下臺階初支→仰拱開挖→二襯施工。

圖1隧道內輪廓線示意圖

2數值模型建立

選取普通圍巖與軟弱圍巖的分界線作為研究特征斷面 （K1+231.3） ，該斷面埋深約為49. 7m. 運用有限元軟件MidasGTSNX劃分前處理網格模型，在考慮開挖影響范圍及視為平面應變問題條件下，模型的長、寬、高尺寸分別為 ，前處理網格模型見圖2。利用有限差分軟件FLAC3D進行后處理，設置模型邊界條件為：地表為自由表面，模型其余側面約束法向位移或位移速率，側壓力系數為0.45。

圖2網格劃分示意圖

假設地層為水平均勻分布、各向同性的介質材料，可采用摩爾-庫倫本構進行模擬；錨桿為 ?25 mm的中空注漿錨桿（長度為4.0m、間距為0.8m），可采用Cable單元進行模擬；鋼拱架為I20b工字鋼架，可視為彈性實體單元進行模擬；初期支護、二次襯砌分別采用Shell單元、彈性實體單元進行模擬。在軟巖隧道三臺階施工過程中，同時考慮初期支護、二次襯砌的作用，將鋼筋網、鋼筋等并入初期支護、二次襯砌中進行統一計算，分別簡化換算為噴混、鋼混等結構[8。軟弱圍巖與復合式襯砌結構材料參數見表1。

表1軟巖及復合襯砌結構材料參數表

3 正交試驗設計

正交試驗設計核心思想為“均勻分散”，通過盡可能少的代表性試驗得到較為科學的論點。正交實驗設計步驟為：明確影響因素→確定考核指標→生成正交表格→完成試驗，記錄結果→結果分析。

3.1試驗影響因素與水平設計

影響隧道圍巖穩定性的因素較多，本文主要針對復合式襯砌結構參數進行優化設計，選取初支噴混等級、初支噴混厚度、二襯鋼混等級、二襯鋼混厚度作為試驗影響因素。據《公路隧道設計規范第一冊土建工程》（JTG3370.1一2018），軟弱圍巖多為V、V級圍巖，相應的初支噴混等級、二襯鋼混等級的取值范圍分別為 ，C30～C45 ，初支噴混厚度、二襯鋼混厚度的取值范圍分別為18～28 cm、40～50cm9]。

3.2試驗考核指標

不同復合式襯砌結構類型對隧道圍巖開挖穩定性有一定影響，為確定最優復合式襯砌結構方案，本文以拱頂沉降、拱底隆起、周邊收斂等三種圍巖特征位移作為考核指標。

3.3 正交表設計

據以上描述，本正交試驗采用四因素三水平的正交表 L₉（3⁴） 進行分析，總次數為9次。正交設計見表2。

表2正交設計表

表2中共計9組代表性試驗，每次試驗按試驗號（初支噴混等級、初支噴混厚度、二襯鋼混等級、二襯鋼混厚度）的設置代入FLAC3D軟件進行模擬計算，得到各因素在不同水平條件下拱頂沉降、拱底隆起、周邊收斂的數值結果。三種試驗考核指標的正交模擬結果見表3。

表3正交試驗模擬結果表

4 正交試驗結果分析

試驗結果分析方法主要分為圖像分析法、極差分析法、方差分析法，不同試驗分析法的特點見表4。

表4不同試驗分析法特點對比表[10-11]

本文采用極差分析法分析初支噴混等級、初支噴混厚度、二襯鋼混等級、二襯鋼混厚度等因素對圍巖的拱頂沉降、拱底隆起、周邊收斂的影響程度，然后借助方差分析得出各因素影響顯著性。

4.1極差分析

對表3的正交試驗數據進行極差分析，各考核指標的極差分析結果見表5，各考核指標對應的因素影響趨勢見圖3。

由表5與圖3可知，拱頂沉降的影響因素敏感度排序為：噴混厚度 gt; 鋼混厚度 gt; 噴混等級 gt; 鋼混等級；拱底隆起的影響因素敏感度排序為：噴混厚度 gt; 鋼混厚度 噴混等級 gt; 鋼混等級；周邊收斂的影響因素敏感度排序為：噴混厚度 gt; 鋼混厚度 噴混等級 鋼混等級。初支噴混厚度是最主要的影響因素，拱頂沉降、拱頂隆起受噴混厚度影響最為明顯，且隨噴混厚度增加而減小，鋼混等級對各考核指標的影響可以忽略不計，各因素影響下的周邊收斂變化不明顯。

表5極差分析結果表

4.2方差分析

極差分析雖可直觀確定影響因素的主次關系，但并不能評估各影響因素對考核指標的影響顯著性，需借助方差分析，將 F 值轉化計算成 P 值。從極差分析中可知，鋼混等級對各考核指標影響很小，因此將鋼混等級作為協變量代入到方差分析中。當 Plt;0.01 ，表明該因素對考核指標影響極為顯著； 0.05gt;Pgt;0.01 ，說明該因素對考核指標影響顯著；0. 10gt;Pgt;0.05 ，說明該因素對考核指標的影響較為顯著； 0.25gt;Pgt;0 10，說明該因素對考核指標具有一定影響； Pgt;0. 25，說明該因素對考核指標無影響。各考核指標的方差分析結果見表 6。

由表6可知，噴混厚度對拱頂沉降的影響顯著，噴混等級、鋼混厚度對拱頂沉降具有一定影響，而鋼混等級對拱頂沉降無影響；噴混厚度對拱底隆起的影響較為顯著，其余因素基本不產生影響；各因素對周邊收斂基本無影響。在軟弱圍巖隧道采用三臺階開挖的背景下，為更好地保證隧道開挖穩定性，結合各考核指標極差和方差等分析結果，確定復合式襯砌結構最優方案為：噴混等級C30、噴混厚度28cm、鋼混等級C30、鋼混厚度50cm。

表6方差分析結果表

5復合襯砌設計優化

經極差和方差分析后，綜合隧道開挖穩定性與經濟合理進行考慮，確定該隧道軟弱圍巖段復合式襯砌優化方案見表7，并將復合式襯砌優化方案代入FLAC3D軟件中進行計算，驗證方案的可行性。

表7復合式襯砌優化方案表

圖4為隧道有無支護情況下地表橫向沉降曲線。由圖4可知，地表兩端越靠近隧道中心線，沉降值越大，地表沉降峰值位于隧道中心線對應的地表處。未支護的隧道地表沉降峰值為 12.3mm ，而經及時支護后的隧道地表沉降峰值減小為6. 0mm ，可見此優化復合式襯砌方案可有效限制地表沉降。

起分別為15. 3mm.8.8mm ，未支護與支護后的周邊收斂分別為 16.9mm.1.5mm ；拱頂沉降、拱底隆起、周邊收斂等特征位移經過支護后急劇減小，分別減小 51.9% 、42. 5% 、91. 1% ，支護對周邊收斂限制作用最大，表明此優化復合式襯砌方案可有效限制隧道圍巖變形，尤其是周邊收斂位移。

據現場實際監測的圍巖變形反饋：隧道基本穩定后，拱頂累積沉降、周邊累積收斂分別為13 3mm，2.1mm ，實際監測數據較模擬數據偏大，誤差范圍為 0.6～1.9mm ，在一定程度上可驗證數值模擬具有一定可靠性。

圖4地表橫向沉降曲線圖

圖5為隧道有無支護情況的圍巖變形云圖。由圖5可知，圍巖的上半部、下半部分別發生下沉、鼓起等變形，周邊圍巖向開挖面擠入變形；沉降峰值、隆起峰值、周邊收斂峰值分別位于拱頂、拱底、邊墻；未支護與支護后的拱頂沉降分別為23.7mm、11. 4mm ，未支護與支護后的拱底隆

6 結語

（1）拱頂沉降對應的因素敏感度排序為：噴混厚度 gt; 鋼混厚度 gt; 噴混等級 gt; 鋼混等級；拱底隆起對應的因素敏感度排序為：噴混厚度 gt; 鋼混厚度 Σ=Σ 噴混等級 gt; 鋼混等級；周邊收斂對應的因素敏感度排序為：噴混厚度 gt; 鋼混厚度 噴混等級 Σ=Σ 鋼混等級。拱頂沉降、拱頂隆起受噴混厚度的影響最為明顯，且隨噴混厚度增加而減小，鋼混等級的影響可忽略不計，各因素對周邊收斂基本不產生影響。

（2）采用噴混等級C30、噴混厚度28cm、鋼混等級C30、鋼混厚度50cm的優化復合式襯砌支護方案可有效限制地表沉降與隧道周邊圍巖變形，且模擬結果與實測數據較為接近，說明該優化方案具有一定可靠性。

參考文獻

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圖5隧道圍巖變形云圖