深部復(fù)合地層巷（隧）道非協(xié)調(diào)變形控制方法研究

中圖分類號：U455.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）23-0054-04

Abstract：Intheprocessofcontroling thestabilityofsurroundingrocksduringtunnel（tunel）construction，duetothe diferencesinphysicalandmechanicalpropertiesofsurroundingrocksbetweendiferentstrataundercompositestratum conditions，therockextrusiondeformationaroundthetunnelindepcompositestratumpresentsthecharacteristicsof incompatibledeformation.Aimingat theabove problems，this paperproposesa jointsupport scheme of\"lining + non-uniform shearanchor，andverifiesthecontrolefectofthismethodthroughnumericalsimulation.Theresearchresultsshowthatthe \"lining + non-uniformshear anchor\"supprt greatlyreduces the tensile stressonthe insideof the lining，improves the local stressonthe lining，andweakenstheeccentricpressurephenomenon.Comparedwith liningsupprt，thedeformationaroundthe tunnelissmaleranduniform.Theanchorrodsimprovethestressonthesuroundingrockandlining，makingthedeformation morecordinated.Aftercombinedsupport，therockstressaroundthesoftrocksidetunelissignificantlyreduced，andthe anchorrodsimprovetheintegityoftheuppersoftrock，makingthestressfluctuationsinthesuroundingrocksmaler.Anchors incombinedsupportefectivelycontrolsoftrockandstructural surfaces，inhibitshearandslipofrock massreduceincomptible deformationofcompositerock massandatthesametimeimproveliningstress，reducebiaspressure，andensureliningsafety.

Keywords： stability control; incompatible deformation; combined support; numerical simulation; lining bias

隨著國家經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)健發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與國防建設(shè)全面推進(jìn)，煤礦巷道、輸水隧道等民生工程以及國防工程項(xiàng)自不斷涌現(xiàn)。在此背景下，深部地下工程日益成為各界研究的焦點(diǎn)。在開發(fā)進(jìn)程中，巷（隧）道建設(shè)正不斷向地層深處拓展延伸。在深部巷（隧）道的修建過程中往往會遇到較為復(fù)雜的地層條件，如上軟下硬復(fù)合地層。由于軟巖和硬巖之間的物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，受巷（隧）道開挖掘進(jìn)擾動影響的強(qiáng)弱程度不同，使得深部復(fù)合地層洞周圍巖擠壓變形呈現(xiàn)非協(xié)調(diào)變形的特點(diǎn)，極易引起巷（隧）道工程的失穩(wěn)破壞。

針對上述問題，國內(nèi)外諸多學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究，李元海等通過相似模型試驗(yàn)系統(tǒng)并采用計(jì)算機(jī)視覺量測系統(tǒng)，開展了深部復(fù)合巖層TBM隧道模型試驗(yàn)，研究了有、無支護(hù)條件下圍巖應(yīng)力和變形破裂與地層效應(yīng)之間的關(guān)系。深部地層中的軟巖和高地應(yīng)力構(gòu)成了圍巖發(fā)生擠壓大變形的基本條件，加劇了支護(hù)施作的難度。針對圍巖穩(wěn)定性控制問題，何滿潮等提出了軟巖工程支護(hù)理論，認(rèn)為支護(hù)破壞是由于支護(hù)體與圍巖體在剛度、強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)等方面存在不耦合造成的。在深埋軟弱圍巖隧道開挖與支護(hù)過程中，圍巖來壓快、變形大且非均勻，常規(guī)支護(hù)結(jié)構(gòu)容易發(fā)生開裂破損，不能有效控制圍巖變形。針對深埋軟弱地層，多采用聯(lián)合支護(hù)的方式進(jìn)行圍巖穩(wěn)定控制，控制措施包括：錨網(wǎng)索技術(shù)[3-4]鋼格柵混凝土核心筒支護(hù)結(jié)構(gòu)、雙層或多層支護(hù)技術(shù)等。

Zhang等通過三維地質(zhì)模型研究了復(fù)雜巖層深部隧道錨桿與襯砌支護(hù)系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果表明軟弱斷層對圍巖所受荷載不均勻性影響不大，但對支護(hù)系統(tǒng)荷載不均勻性影響顯著。Li等通過現(xiàn)場調(diào)查獲得了深部破碎巖巷道的變形破壞機(jī)理，并提出了“雙層錨噴和鋼管混凝土\"的聯(lián)合支護(hù)方案。郭慶昊[8]依托中蘭客專尖山隧道工程，采用離散元對高地應(yīng)力作用下的互層隧道變形機(jī)理進(jìn)行分析并據(jù)此提出采用非對稱布置超前支護(hù) + 節(jié)理面大角度處布置錨桿方式控制變形控制措施。富志鵬等基于寶漢（寶雞一漢中）高速某高地應(yīng)力軟巖隧道工程，提出了“雙層H形鋼拱架”初期支護(hù)和“原位應(yīng)力釋放 + 雙層H形鋼拱架”初期支護(hù)2種建設(shè)方案，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)的方法對比分析2種方案的控制效果。董建華等[對高地應(yīng)力軟巖隧道中讓壓支護(hù)結(jié)構(gòu)讓壓量小、協(xié)同性差等不足，基于合理釋放圍巖應(yīng)力及協(xié)同變形機(jī)理，提出了具備兩階段讓壓功能的隧道分級讓壓支護(hù)結(jié)構(gòu)。陳麗俊等針對軟巖隧道初期支護(hù)拱腳收斂變形控制難題，研究預(yù)應(yīng)力鎖腳錨索對軟巖隧道初期支護(hù)拱腳的支護(hù)力學(xué)效應(yīng)及變形控制效果，并提出預(yù)應(yīng)力鎖腳錨索施工方法。

綜上所述，國內(nèi)外研究學(xué)者針對復(fù)合地層圍巖變形和圍巖穩(wěn)定性控制進(jìn)行了大量研究并取得了豐富的成果，但當(dāng)前穩(wěn)定控制研究多分析深部破碎、軟弱巖體的大變形控制，對于深部復(fù)合地層的圍巖穩(wěn)定控制研究較少。因此，針對復(fù)合巖體的非協(xié)調(diào)變形及穩(wěn)定性控制問題，本文通過數(shù)值模擬方法研究了“襯砌 + 非均勻抗剪錨桿\"聯(lián)合支護(hù)對復(fù)合地層非協(xié)調(diào)變形的控制作用，相關(guān)研究成果可以為深部復(fù)合地層TBM巷（隧）道支護(hù)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1數(shù)值模擬方案

1.1 工程背景

某工程全長 41.823km ，除進(jìn)口段外，約 32km 的路段全部采用TBM工法施工。該TBM工段的巖石單軸抗壓強(qiáng)度處于 30MPa 至 180MPa 區(qū)間，其中Ⅱ類圍巖占比 53% T IV 類和V類圍巖占比 9% 。施工區(qū)域的復(fù)合地層圍巖處于高地應(yīng)力環(huán)境。

1.2 試驗(yàn)方案

在軟、硬復(fù)合地層中，由于擠壓大變形主要集中于軟巖區(qū)域，而硬巖具有良好的自穩(wěn)特性，因此錨桿的布設(shè)應(yīng)采用非均勻方式。數(shù)值計(jì)算模型復(fù)合地層傾角為 60^° ，模型共2組，分別采用“襯砌 + 非均勻抗剪錨桿\"聯(lián)合支護(hù)和襯砌支護(hù)2種支護(hù)形式。水平和垂直地應(yīng)力均為 20MPa ，復(fù)合巖體基本物理力學(xué)參數(shù)見表1，模型的錨桿參數(shù)見表2。通過水泥漿將錨桿與圍巖進(jìn)行連接，軟巖側(cè)容易發(fā)生擠壓變形，錨桿設(shè)計(jì)加密，排距設(shè)計(jì)為 1.3m 。硬巖側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)偏安全，考慮施工經(jīng)濟(jì)性，錨桿排距可以適當(dāng)稀疏，排距設(shè)計(jì)為 4.9m 。

表1復(fù)合巖體基本物理力學(xué)參數(shù)

表2錨桿模型參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力

如圖1（a）所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用\"襯砌 ∣+ 非均勻抗剪錨桿\"聯(lián)合形式。在結(jié)構(gòu)面位置設(shè)置\"X型\"抗剪錨桿，其作用是將軟巖因卸荷變形產(chǎn)生的剪應(yīng)力傳導(dǎo)至下部硬巖，有效控制結(jié)構(gòu)面處巖體的剪切滑移，從而減小復(fù)合巖體的非協(xié)調(diào)變形。從圖1（a）中可見，多數(shù)錨桿因巖體卸荷承受拉應(yīng)力，而部分抗剪錨桿則出現(xiàn)壓應(yīng)力，這是因?yàn)殄^桿調(diào)動了復(fù)合巖體的抗壓強(qiáng)度，以此抵抗結(jié)構(gòu)面的剪應(yīng)力。

從圖1（b）所示的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖能夠看出，在聯(lián)合支護(hù)時，襯砌受力較為均勻，應(yīng)力集中情況較少。而僅采用襯砌支護(hù)時，軟巖的擠壓變形會給襯砌帶來局部擠壓力，進(jìn)而導(dǎo)致偏壓現(xiàn)象。在聯(lián)合支護(hù)模式下，襯砌內(nèi)側(cè)的最大拉應(yīng)力顯著低于單純襯砌支護(hù)組。由于拉應(yīng)力區(qū)是襯砌容易破裂的部位，所以在深部擠壓的復(fù)合地層中，聯(lián)合支護(hù)能讓襯砌處于相對更安全的狀態(tài)。此外，聯(lián)合支護(hù)通過錨固作用，優(yōu)化了襯砌的局部受力狀況，降低了偏壓。

2.2 洞周圍巖縱向位移對比

圖2呈現(xiàn)了2種支護(hù)形式下洞周圍巖的LDP（縱向位移）曲線對比情況。圖2（a）中 40m 處對應(yīng)當(dāng)前掌子面位置， 0～40m 是已掘進(jìn)區(qū)段，其中 28～50m 為TBM機(jī)身所在區(qū)段， 0～28m 是已支護(hù)區(qū)段。從圖2（a）中可以看出，上部軟巖（拱頂與左邊墻）對錨桿支護(hù)作用反應(yīng)較為敏感。拱頂施加錨桿后，洞周圍巖收斂位移減小了 11.5% ；左邊墻施加錨桿后，收斂位移減小10.3% 。而錨固作用對硬巖（圖2（b））影響不大，右邊墻處2種支護(hù)形式的應(yīng)力曲線近乎重合，在拱底處收斂位移減小 4.3% 。

從洞周最大主應(yīng)力曲線（圖3）可知，施加聯(lián)合支護(hù)后，軟巖側(cè)（拱頂和左邊墻處）洞周圍巖應(yīng)力顯著降低。而且，在聯(lián)合支護(hù)下軟巖洞周圍巖應(yīng)力波動較小，這是因?yàn)殄^桿改善了錨固巖體的受力狀態(tài)，提升了上部軟巖的整體性。由于硬巖自穩(wěn)性良好，錨固作用對其影響相對較小。

綜上所述，針對深部復(fù)合地層洞周圍巖呈現(xiàn)的非協(xié)調(diào)變形特性，可從2個關(guān)鍵方面采取針對性策略。一方面，要對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行抗剪支護(hù)，利用錨桿抗剪性能抑制結(jié)構(gòu)面滑移，提升巖體整體強(qiáng)度。另一方面，需強(qiáng)化軟巖部分的支護(hù)強(qiáng)度。在復(fù)合地層采用“襯砌 + 非均勻抗剪錨桿\"聯(lián)合支護(hù)時，錨桿在軟巖和結(jié)構(gòu)面處作用突出。它能有效控制結(jié)構(gòu)面的巖體剪切滑移，減少復(fù)合巖體非協(xié)調(diào)變形，改善上部軟巖受力狀態(tài)，增強(qiáng)軟巖整體性，對硬巖影響則較小。同時，聯(lián)合支護(hù)優(yōu)化了襯砌局部受力，降低偏壓，保障了襯砌的安全性。

考慮施工經(jīng)濟(jì)性，該聯(lián)合支護(hù)工法適用于TBM隧（巷）道穿越斷層破碎帶、深部軟巖地層等工況，可在特定工段靈活采用，以確保支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

3結(jié)論

針對復(fù)合巖體的非協(xié)調(diào)變形及穩(wěn)定性控制問題，本文提出了一種“襯砌 + 非均勻抗剪錨桿\"聯(lián)合支護(hù)的方式用來控制復(fù)合地層的非協(xié)調(diào)變形，并通過數(shù)值模擬方法對該聯(lián)合支護(hù)的控制效果進(jìn)行了驗(yàn)證分析，相關(guān)研究結(jié)論如下：

1）在\"襯砌 + 非均勻抗剪錨桿\"聯(lián)合支護(hù)下，襯砌內(nèi)側(cè)最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于襯砌支護(hù)組，通過錨固作用，襯砌的局部受力狀態(tài)被改善，偏壓現(xiàn)象被削弱。

2）聯(lián)合支護(hù)與襯砌支護(hù)相比，洞周的變形量小且較為均勻，錨桿施作改善了圍巖與襯砌的受力，使得圍巖與支護(hù)體系的變形更加均勻和協(xié)調(diào)。

3）施加聯(lián)合支護(hù)后軟巖側(cè)（拱頂和左邊墻處）洞周圍巖應(yīng)力顯著降低。錨桿改善了錨固巖體的受力狀態(tài)，提高了上部軟巖的整體性，軟巖洞周圍巖應(yīng)力波動較小。

4）在聯(lián)合支護(hù)中，錨桿對軟巖和結(jié)構(gòu)面發(fā)揮了較大的控制作用，抑制了結(jié)構(gòu)面處的巖體剪切滑移，進(jìn)而降低了復(fù)合巖體的非協(xié)調(diào)變形。并且錨桿改善了上部軟巖的受力狀態(tài)，提高了軟巖的整體性。聯(lián)合支護(hù)改善了襯砌的局部受力狀態(tài)，降低了偏壓，使得襯砌相對安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]李元海，劉德柱，楊碩，等.深部復(fù)合地層TBM隧道圍巖應(yīng)力與變形規(guī)律模型試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2021，42（7）：1783-1793.

[2]何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程地質(zhì)力學(xué)研究進(jìn)展[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2000，8（1）：46-62.

[3]孫曉明，何滿潮，楊曉杰.深部軟巖巷道錨網(wǎng)索耦合支護(hù)非線性設(shè)計(jì)方法研究[J].巖土力學(xué)，2006，27（7）：1061-1065.

[4]YANG SQ，CHEN M，JING HW，et al.A case studyonlarge deformation failuremechanismofdeepsoftrockroadway in Xin'An coal mine，China[J].Engineering Geology，，2017，217：89-101.

[5]李術(shù)才，徐飛，李利平，等.隧道工程大變形研究現(xiàn)狀、問題與對策及新型支護(hù)體系應(yīng)用介紹[巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35（7）：1366-1376.

[6]ZHANGQY，RENMY，DUANK，etal.Geo-mechanicalmodel test on the collaborative bearing effect of rock -support system for deep tunnel in complicated rock strata[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2019（91）：103001.

[7] LIG，MA F，GUO J，et al.Study on deformation failuremechanism andsupporttechnologyofdeepsoftrockroadway[J]. Engineering Geology，2020（264） ： 105262.

[8]郭慶昊.高地應(yīng)力軟硬互層隧道變形控制技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2023，40（9）：72-77.

[9]富志鵬，李博融，徐晨，等.高地應(yīng)力軟巖隧道大變形控制方案現(xiàn)場試驗(yàn)[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，43（1）：133-142.

[10]董建華，徐斌，吳曉磊.高地應(yīng)力軟巖隧道分級讓壓支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性分析[J].中國公路學(xué)報(bào)，2024，37（3）：342-355.

[11]陳麗俊，陳建勛，郭會杰，等.軟巖隧道初期支護(hù)拱腳收斂變形控制新方法[J].中國公路學(xué)報(bào)，2025，38（6）：246-257.