对玖山隧道初期支护技术研究

宋志鹏

(中铁十七局 四公司，重庆 401121)

新奥法是以岩体力学和铁摩辛柯力学理论为基础进行隧道支护设计和施工的隧道修建方法。其设计与施工的出发点是最大限度地发挥围岩的自承能力。它以喷射混凝土、锚杆加固和量测技术为主要支柱。但是，在隧道开挖支护过程中，新奥法有时并不能根据实际情况得到灵活运用。所以，需研究初期支护技术，保护隧道围岩原有强度，容许围岩变形但又不致出现强烈松弛破坏，及时掌握围岩和支护变形动态，使隧道围岩变形与限制变形的结构支护抗力保持动态平衡，使施工方法具有很好的适用性和经济性。

1 对玖山隧道工程概况

1.1 地质概况

隧址区在大地构造单元上，属鄂尔多斯地台向斜陕北台凹的一部分。陕北台凹处于鄂尔多斯地台向斜中南部。本区为中生代沉积岩系，岩层产状平缓，倾向大致向西或西偏北，倾角较小，一般不超过10°。线路经过区属于缓倾的向斜的东南翼，为单斜构造，区域地质构造简单，无大型褶皱和断层，长期以来是个比较稳定的地区。

1.2 试验段内围岩初期支护参数

对玖山隧道Ⅲ级深埋段DK287+551～DK288+851初期支护采用锚杆、钢筋网、喷混凝土的组合支护工艺:φ22 mm砂浆锚杆，长 3 m，间距120 cm×120 cm;φ8 mm钢筋网，间距20 cm×20 cm;喷混凝土厚为12 cm。初期支护的具体尺寸如图1所示。

图1 Ⅲ类围岩初期支护横断面(单位:cm)

2 计算模型和工况

通过FLAC3D软件建立三维数值模型，选用弹塑性本构模型，遵循摩尔—库仑屈服准则，喷射混凝土和锚杆选用线弹性本构模型。根据工程资料、规范和工程经验采用围岩及初期支护参数如表1所示。模型纵向长度取30 m，横向长度取3倍洞径，隧道底部围岩厚度取3倍洞高，埋深100 m。围岩和喷层采用实体单元(六面体)模拟，锚杆采用三节点杆单元模拟，单元网格划分如图2所示。

图2 单元网格划分图

数值模拟计算分为三种工况。工况1为:①计算自重应力场;②全断面开挖30 m，每循环开挖3 m随即施作喷锚支护，锚杆纵向间距1.2 m。工况2为:①计算自重应力场;②全断面开挖30 m，循环开挖3 m，开挖30 m后施作喷锚支护，锚杆纵向间距1.2 m。工况3为:①计算自重应力场;②全断面开挖30 m，循环开挖3 m，开挖30 m后施作喷混凝土支护。

表1 力学模型材料参数表

3 计算结果及分析

由表2和图3～图5可知，三种工况的受拉区出现在洞周围岩的拱部和底部，边墙以受压为主。采用全断面开挖的方法，其塑性区范围主要分布在拱顶两侧和洞底范围内，以拉裂破坏为主。工况1在开挖后随即施作了喷锚支护，围岩处于形变阶段，相比于工况2和工况3，其围岩压力和锚杆轴力较大，但锚杆轴力远小于设计要求。工况2与工况3相比计算结果相差不大，两种工况都是全断面开挖30 m后再施作支护，围岩变形在施作喷锚支护时已经趋于稳定，锚杆承受的拉力很小。

4 初期支护方案的选用

块体稳定的洞段全断面开挖一段距离后再施作喷混凝土支护，并根据现场的情况辅以少量锚杆支护。在开挖中，如不及时支护有可能造成坍塌洞段，需先施作锚杆加固大块体岩石，待循环开挖一定距离后(不小于30 m)，一次喷射混凝土→钻锚杆眼→拱顶2～3 m的范围安设锚杆→注浆(安装止浆塞、垫板)→挂设钢筋网→喷混凝土到设计强度。锚杆主要起悬吊和支护作用。

从试验段中间断面的拱顶实测沉降时间曲线来看，如图6所示，Ⅲ级白云岩拱顶沉降速率大约在9 d后就会稳定下来。全断面开挖27 m左右，再施作喷混凝土支护，对控制围岩形变和降低喷层结构受力较为有利。

表2 支护方法及计算结果表

图3 工况1

图4 工况2

图6 对玖山隧道DK287+581拱顶沉降时间曲线

5 结论

本文先对几种不同的工况进行三维数值模拟，考察它们的定量指标，确定开挖与支护方法，然后分析拱顶位移量测数据，得出安全经济的支护方案。张石二期高速公路隧道群围岩以Ⅲ级白云岩为主，在与试验段围岩条件相近的地段采用此方案，可以减少锚杆的数量，节省成本，加快施工速度。上述结论只是特定条件下特定参数的计算结果，因此可能得出不同的结果。此外，选用不同的本构模型和屈服准则，也会导致计算结果的一些差异。

特别注意的是，隧道断面能否在较短的时间内闭合最为重要，所以，应尽早施工仰拱，闭合成环，以缩短围岩应力变化时间。

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