红层隧道初期支护结构优化研究

代超龙， 张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

大量红层地区高等级公路建设实践表明[1-4]，红层地区公路隧道修建程中会诱发规模较大的滑坡、崩塌、渗水、软化蠕变、隧道围岩变形坍塌破坏等各类灾害。

针对红层大跨度隧道的特点[5]，郑昳采用数值模拟与现场实测相结合的方法，研究得出CRD可以满足隧道围岩稳定性要求。陈国忠[6]等从隧道施工围岩的变形、塑性区分布规律、初期支护结构的受力特点等方面研究CRD的合理施工工序。刘明[7]等利用隧道实时监测的围岩拱顶下沉和周边收敛数据，研究了红层隧道围岩的稳定状况、变形规律以及二衬支护时机。

本文依据达万高速公路天坪隧道工程实际情况，确定红层典型结构构造特征，采取块体离散元方法研究不同地质条件的支护结构受力情况，优化支护结构，提出支护参数与支护原则，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

以达万(达州～万州)高速公路天坪寨隧道S5-1DM06标段为依托，通过对天坪寨隧道隧址区调研，发现在整个洞身段，结构面不甚发育，主要结构面以原生层面和构造节理为主。区内出露岩性众多，节理裂隙发育，地勘报告显示，其主要发育3组(主控节理2组)，包括：①J1组：产状0～35 °∠55～77 °，间距0.2～0.5m不等，为区内主控节理之一；②J2组：产状190～230 °∠59～80 °，间距0.20～0.70m不等；③J3组：产状40～65 °∠60～80 °，间距0.50～1.00m不等，可见延伸长度1～4m；微张～张开，面较平直，局部泥质充填。

2 数值模型

2.1 计算模型与参数

以天坪寨隧道S5-1DM06段为实际工程背景，结合达州至万州高速公路天坪寨隧道Ⅴ型衬砌断面设计图如图1所示。

图1 Ⅴ型衬砌断面设计

计算中所采用的岩体模型、岩块节理参数和构造实测应力场参数见表1和表2。其中，锚杆间距纵×横0.8m×1.0m，φ22药卷锚杆长度3.0m，密度7 857kg/m3，弹性模量取210GPa，屈服拉力为180kN。初期衬砌为C20喷射防腐蚀混凝土，初期衬砌24cm厚，计算所用的衬砌力学参数见表1，节理计算参数见表2。

表1 围岩及初期衬砌计算参数

表2 节理计算参数

天坪寨隧道计算埋深573m，跨径为12m，模型宽度108m，仰拱距下边界约36m，拱顶距上边界约48m。模型上边界施加上覆岩层压力，左右边界约束水平位移，下边界约束其竖向位移(图2)。

图2 计算模型(0°倾角节理)

2.2 计算工况

如表3所示，在自重应力场中，全断面开挖，除节理倾角以30 °递增变化外，各计算模型其他计算参数相同。以此来探讨不同节理倾角对隧道围岩变形的影响。

表3 计算工况表

3 计算结果分析

运用离散元软件UDEC，计算在各倾角节理地层中全断面开挖隧道，应力释放20 %后打设锚杆、喷射混凝土，其初期支护受力计算分析如下。

3.1 锚杆受力分析

锚杆轴力和沿杆长方向剪力计算结果如图3～图6所示(仅列出节理倾角为0 °与60 °计算结果)。

图3 水平岩层锚杆轴力(单位：N)

图4 60°倾斜岩层锚杆轴力(单位：N)

图5 水平岩层锚杆剪力(单位：N)

图6 60°倾斜岩层锚杆剪力(单位：N)

取最接近实际的60 °倾角岩层隧道分析各根锚杆轴力和沿杆长方向剪力最大值统计见图7。

图7 60°倾角各锚杆轴力和沿杆长方向剪力最大值统计

从图7中可以看出：最大锚杆轴力都发生在右拱脚处的4#锚杆，其值为65.33kN；最大锚杆沿杆长方向剪力都发生在右拱脚处的3#锚杆，其值分别21.52kN，由此可以看出对于层状倾角偏压隧道，拱脚处锚杆对改善拱脚处围岩受力状况和控制拱脚收敛的作用很明显。

3.2 衬砌受力分析

衬砌轴力和弯矩计算结果如图8、图9所示(仅列出0 °与60 °)。

(a)水平岩层

(b)60°岩层图8 衬砌轴力(单位：N)

(a)水平岩层

(b)60°岩层图9 衬砌弯矩(单位：N·m)

由计算结果可知：水平岩层隧道其轴力弯矩左右对称且都不大；在倾斜偏压隧道中，特别是在60 °倾角节理地质偏压的隧道中，相对于右拱肩和右拱腰，左拱肩和左拱腰处的衬砌轴力和弯矩都较大；最大衬砌轴力发生在左拱腰处，其值为321.8kN；最大衬砌弯矩也发生在左拱腰处，其值为75.77kN·m，因此建议加强衬砌左侧的设计参数。

3.3 支护结构优化

(1)在偏压隧道中，两侧拱脚墙脚和左侧拱肩的锚杆轴力剪力相对较大，拱部和右拱腰的锚杆轴力剪力相对较小。

(2)相对于右拱肩和右拱腰，左拱肩和左拱腰处的初期衬砌和围岩之间的法向接触压力、衬砌轴力和弯矩都较大；围岩与初期衬砌之间最大法向接触压力、衬砌最大轴力和最大弯矩都发生在左拱腰处，因此建议加强衬砌左侧的设计参数。

(3)初期支护结构采取不对称设计之后，隧道结构只是在施工过程中的局部受力较不利，但是对结构的整体稳定性不会造成伤害；而且采用不对称支护结构设计之后，采取恰当的施工步骤可以使其受力优于对称机构受力。即对受力较好的一侧适当减弱支护，受力较不利的一侧适当增强支护，既能满足结构受力，又能达到更好的经济适用性。

4 结论

本文主要研究支护结构受力特征及优化，并对其安全性进行评价，得到以下结论：

(1)两侧拱脚墙脚和左侧拱肩的锚杆轴力剪力相对较大，拱部和右拱腰的锚杆轴力剪力相对较小。对于节理倾角60 °，拱部和右拱肩处的锚杆穿越结构面和岩层较少，而两侧拱脚墙脚和左侧拱肩处的锚杆穿越的结构面和岩层较多，故两侧拱脚墙脚和左侧拱肩处的锚杆将承受更多由节理错动变形引发的锚杆轴力和剪力。各锚杆沿长度方向轴力剪力分布并不均匀，有的轴力剪力最大值发生在距洞壁约1/3锚杆长度处，有的在约2/3锚杆长度处，有的在锚杆中部。最大锚杆轴力剪力都发生在右拱脚处的锚杆。

(2)在60 °倾角节理地质偏压的隧道中，相对于右拱肩和右拱腰，左拱肩和左拱腰处的初期衬砌和围岩之间的法向接触压力、衬砌轴力和弯矩都较大；围岩与初期衬砌之间最大法向接触压力、衬砌最大轴力和最大弯矩都发生在左拱腰处，因此建议加强衬砌左侧的设计参数。

(3)初期支护结构采取不对称设计之后，隧道结构只是在施工过程中的局部受力较不利，但是对结构的整体稳定性不会造成伤害，对受力较好的一侧适当减弱支护，受力较不利的一侧适当增强支护，既能满足结构受力，又能达到更好的经济适用性。