隧道的圍巖特性與初級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

張 琳

（河南省第一建筑工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 河南 鄭州 450000）

0 前言

隨著高速公路的迅速發(fā)展，隧道做為交通發(fā)展重要組成部分也要跨上一個(gè)新臺(tái)階，相應(yīng)地隧道設(shè)計(jì)和施工技術(shù)也有了更高的挑戰(zhàn)和要求。 在隧道初級(jí)設(shè)計(jì)和施工過程中，采用不同的施工方法和不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性有很大影響，目前常用的隧道施工方法有環(huán)形法、臺(tái)階法和全斷面法等，研究不同的開挖方法以及開挖后采用不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響有很大的意義。

本文以某高速公路隧道為施工背景， 大部分隧道為Ⅳ級(jí)圍巖，其圍巖特性較差，選巖質(zhì)較差的Ⅳ級(jí)圍巖為對(duì)象，做三種施工方法的對(duì)比，并在比較得出的開挖方法中選用不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)從而得出在這種地質(zhì)條件下的最優(yōu)施工方法和初級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化施工支護(hù)參數(shù)。

1 開挖方法的比較分析

運(yùn)用有限元軟件模擬開挖的臺(tái)階法、環(huán)形法以及全斷面法。 本構(gòu)關(guān)系采用ducker-prager 屈服準(zhǔn)則， 梁?jiǎn)卧牧W(xué)模型與圍巖的二維連續(xù)體力學(xué)模型結(jié)合在一起計(jì)算，考慮初級(jí)支護(hù)錨桿和噴射混凝土的相互作用。

由于各項(xiàng)施工參數(shù)設(shè)定相同，這樣就保證了圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的相同。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得到應(yīng)力的極值主要出現(xiàn)在隧道的周邊上，所以位移以及應(yīng)力的取點(diǎn)位置取在隧道周圍的拱頂、拱肩、拱腰、拱腳以及拱底部分。 經(jīng)過對(duì)特殊點(diǎn)的觀測(cè)得到隧道的拱頂較不穩(wěn)定，有較大的沉降，在應(yīng)力達(dá)到一定的范圍后會(huì)產(chǎn)生掉塊，坍塌情況，在拱底由于較大的壓應(yīng)力會(huì)向上拱起；在拱肩和拱腳處會(huì)產(chǎn)生小范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象，達(dá)到圍巖的屈服強(qiáng)度后會(huì)引起拱腳部位的局部破壞。

經(jīng)過對(duì)比知環(huán)形法的開挖應(yīng)力相對(duì)較小，在拱腰和拱底出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但區(qū)域相對(duì)較小，在拱腳和拱頂處出現(xiàn)拉應(yīng)力，相對(duì)其他方式，這種拉應(yīng)力也較小。在拱腰處臺(tái)階法開挖會(huì)產(chǎn)生塑形區(qū)域，而環(huán)形法開挖則不會(huì)產(chǎn)生。經(jīng)過綜合比較環(huán)形方式的開挖對(duì)隧道產(chǎn)生的應(yīng)力小，且不容易產(chǎn)生塑性變形。

2 支護(hù)的時(shí)機(jī)對(duì)隧道圍巖變形的影響

初級(jí)支護(hù)的時(shí)間是通過開挖后的荷載釋放率來確定的，開挖后及時(shí)進(jìn)行初級(jí)支護(hù)荷載的釋放率為零，這時(shí)支護(hù)承擔(dān)所有的圍巖變形應(yīng)力； 開挖后經(jīng)過較長(zhǎng)的一段時(shí)間等到圍巖變形穩(wěn)定后進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)，這時(shí)的圍巖荷載釋放率為1，支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載較小；在這兩種極限情況之間取不同的荷載釋放率0.25、0.5、0.75。不考慮初始地應(yīng)力的釋放情況，圍巖應(yīng)力直接作用在初級(jí)支護(hù)上，支護(hù)和圍巖協(xié)調(diào)變形。

采用有限元分析軟件，圍巖采用二維平面應(yīng)變單元來模擬，通過提高噴錨加固區(qū)的圍巖參數(shù)來模擬錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)。隧道橫向取洞徑的3 倍長(zhǎng)，豎向往上到地面，往下取3 倍洞徑。 支護(hù)結(jié)構(gòu)在隧道附近時(shí)采用較密的網(wǎng)格劃分，較遠(yuǎn)出網(wǎng)格劃分相對(duì)稀疏。

計(jì)算結(jié)果可知洞周圍巖位移運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)皆指向洞內(nèi)。隨著荷載釋放率的增大，即在初期支護(hù)延時(shí)的情況下，圍巖在開挖后自身位移不斷增長(zhǎng)。 在荷載剛開始釋放， 釋放率為0、0.25 時(shí)拱頂沉降大于水平收斂，釋放率為0.5 時(shí)兩者大致相等，圍巖應(yīng)力繼續(xù)釋放時(shí)水平收斂大于拱頂沉降。經(jīng)過分析得到支護(hù)過晚時(shí)的圍巖位移已經(jīng)超過隧道的穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)，初期支護(hù)時(shí)間太晚，有可能造成隧道的坍塌。

圍巖塑性區(qū)隨著荷載釋放率的增大而增大，塑性區(qū)最先出現(xiàn)在底部，拱墻上會(huì)隨著支護(hù)

時(shí)間的增加出現(xiàn)塑性變形。所以初級(jí)支護(hù)參與共同作用時(shí)間越早越好，這是因?yàn)棰艏?jí)圍巖自身承能力低，初級(jí)支護(hù)太晚的話，塑性區(qū)域增大到拱墻以上容易造成圍巖松弛，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生坍塌。

通過初級(jí)支護(hù)和圍巖的接觸應(yīng)力，觀測(cè)兩者的協(xié)調(diào)變形。 得到徑向應(yīng)力在洞周處最小，隨著離隧道中心距離的增大而增大，環(huán)向應(yīng)力則相反，在洞周處最大，且隨著離隧道中心距離的增大而減??；結(jié)構(gòu)的應(yīng)力主要為負(fù)值，支護(hù)主要承載壓應(yīng)力；隨著荷載釋放率的增大徑向和環(huán)向應(yīng)力都在減小，圍巖的自承能力發(fā)揮較多的作用。

3 初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

對(duì)不同初期支護(hù)厚度、錨桿長(zhǎng)度及鋼架間距的變形控制效果進(jìn)行對(duì)比分析，分別采用不同的混凝土厚度、錨桿長(zhǎng)、錨桿間距以及型鋼間距。

從支護(hù)參數(shù)上來看，V 級(jí)圍巖條件下, 國(guó)內(nèi)外的隧道一般都設(shè)有輔助施工措施,多采用管棚或小導(dǎo)管注漿進(jìn)行超前支護(hù)；在Ⅳ級(jí)圍巖條件尤其是淺埋偏壓情況下一般都采用I 字鋼或格柵鋼架作初期支護(hù)，二次襯砌在Ⅳ級(jí)圍巖條件下多采用鋼筋混凝土,Ⅲ級(jí)以下圍巖多采用素混凝土,由于素混凝土結(jié)構(gòu)為脆性結(jié)構(gòu),不能形成塑性鉸,因而無法進(jìn)行內(nèi)力的調(diào)整,由于地下結(jié)構(gòu)受力的不確定性,在局部壓力作用下,結(jié)構(gòu)受力最不利位置將發(fā)生掉塊、脫落等破壞,若為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)將自行進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整,一般不可能產(chǎn)生像掉塊之類直接危及行車安全的破壞,因此,建議二次襯砌多采用鋼筋混凝土,當(dāng)計(jì)算不需要配筋時(shí)可進(jìn)行構(gòu)造配筋。

隧道襯砌一般采用復(fù)合式襯砌和整體式襯砌,目前施工的隧道中使用較多的是復(fù)合式襯砌，復(fù)合式襯砌的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮使用要求、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、圍巖級(jí)別、隧道埋深及隧道斷面形狀、開挖方法、施工順序和斷面的閉合時(shí)間等條件,通過工程類比和結(jié)構(gòu)計(jì)算綜合分析確定。

一般的Ⅳ級(jí)圍巖條件下,采用噴射混凝土,其設(shè)計(jì)強(qiáng)度一般不低于C20，圍巖松散、穩(wěn)定性極差的土巖體中,可采用噴射鋼纖維混凝土,其設(shè)計(jì)強(qiáng)度一般不低于C25， 噴射混凝土厚度應(yīng)不小于5cm, 不大于25cm， 隧道噴混凝土一般配合使用單層φ6.5 鋼筋網(wǎng), 鋼筋間距150-250mm， 隧道系統(tǒng)錨桿一般采用φ25-φ27 中空注漿錨桿和砂漿錨桿,對(duì)于巖體破碎、成孔困難的圍巖,可采用φ27-φ32 自進(jìn)式錨桿,錨桿露頭部分加墊板，錨桿長(zhǎng)度根據(jù)圍巖地質(zhì)情況確定。 鋼架支撐一般用在地質(zhì)條件較差,自穩(wěn)時(shí)間短、初期變形大的地層中。 隧道的洞口淺埋段及圍巖中常用到鋼架支撐。 隧道的鋼架支撐常用格柵鋼架、工字鋼鋼架,也有用到型鋼架，鋼架間距根據(jù)地質(zhì)情況一般為0.6-1.0m。

4 影響隧道圍巖變形的影響因素分析

4.1 地質(zhì)構(gòu)造

主要是指褶皺和斷裂對(duì)巖層的破壞，在長(zhǎng)期的構(gòu)造變動(dòng)下，巖體構(gòu)造的裂隙發(fā)育，巖體的穩(wěn)定性降低，隧道在建設(shè)時(shí)要盡量的避免在構(gòu)造復(fù)雜的地段通過。 路線選擇上要選擇構(gòu)造變化較少，巖層較硬的地段，無法避免時(shí)保證隧道橫穿褶皺翼部，避開核部，這是核部巖石比翼部更易碎。

4.2 地下水

水是造成圍巖大變形的一個(gè)重要因素，圍巖長(zhǎng)期在水的浸泡下會(huì)造成巖石強(qiáng)度降低，特別對(duì)土體類的圍巖更為嚴(yán)重，會(huì)引起土體的流動(dòng)液化；在有裂隙的地方水分流動(dòng)會(huì)帶走縫隙內(nèi)的填充物，是的裂縫的粘結(jié)力降低，裂縫進(jìn)一步的擴(kuò)大；有些巖石在遇水后會(huì)膨脹，造成圍巖變形過大。

隧道圍巖是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題，受到各種因素的影響，在控制變形時(shí)要做到監(jiān)測(cè)變形和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，綜合考慮建立全面的隧道控制系統(tǒng)。

5 結(jié)論

5.1 隧道圍巖變形在環(huán)形開挖方式中變形最小， 在圍巖特性較差的情況下，采用這種方法具有很好的開挖效果。

5.2 初級(jí)支護(hù)的實(shí)施越早越好， 及時(shí)的初級(jí)支護(hù)能夠很好地防止圍巖收斂變形，減少圍巖災(zāi)害。

5.3 支護(hù)參數(shù)要根據(jù)不同的隧道圍巖情況，合理的做出調(diào)整。 在圍巖較差的地方和隧道洞口要使用錨桿或者鋼拱架，相對(duì)較好的地方可以不采用。

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