柔性支护结构对软弱围岩隧道的支护效果研究

唐国丰，赵东明，赵 博

(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2.重庆钢铁集团设计院有限公司，重庆 400039)

本文针对软弱围岩隧道提出一种新型初期支护结构，即在软弱围岩条件下将柔性格栅拱架和系统锚杆连接在一起形成整体支护结构。该新型支护结构格栅拱架具有一定柔性且在一定范围内适应围岩变形，而系统锚杆和格栅钢架连接后又保证了钢架的整体稳定性，使其能够继续发挥承载作用。

类似于该新型组合支护结构应用由来已久。康红普等[1]研究认为锚杆组合构件能够起到支护锚杆间围岩，均衡锚杆受力从而提高整体支护作用；袁溢[2]通过对大变形巷道锚杆护表构件研究得到，护表构件能够使围岩处于三向受力状态，阻止围岩破裂。同时，护表构件也可形成类似组合梁或承压拱的支护结构，充分发挥围岩的自稳能力。

然而该新型支护结构目前在较大断面的软弱围岩隧道中应用较少。而对于传统型钢拱架支护结构，孙振宇[3]研究认为其刚度较大，虽然能够很好地控制围岩变形但另一方面却增加了支护结构的受力，对围岩自身承载能力利用低，且支护时机的影响因素多，难以确定合适的支护时机。此外，王建宇[4]研究发现在软弱围岩隧道工程中“强支硬顶”的支护方案难以解决实际问题。他提出“可让性原则”的解决方法，即在开挖断面时预留一定的围岩变形空间，让支护结构在围岩变形有控制的基础上承受较小的围岩压力。

该新型支护结构利用了格栅钢架的柔性和锚杆强度高的特点对软弱围岩进行支护。但是，对其隧道软弱围岩具体力学特性尚不明确。本文通过FLAC 3D数值模拟计算研究分析该新型结构支护下的Ⅴ1围岩受力特性，以进一步揭示其支护机理和支护效果。

1 计算模型

本文在计算分析时假定围岩是连续的各向同性的弹-塑性体，且服从Mohr-Coulomb强度准则。设置模型上边界面为自由边界，并施加竖向荷载以模拟隧道埋深的围岩荷载[5-6]。同时，固定除上边界面以外的其他所有边界面的位移。

工程地质中一般规定围岩范围为6倍隧洞直径，故计算模型的实体单元尺寸设置为横向120 m，竖向110 m，纵向60 m，所模拟的隧道断面尺寸设置见图1。并分别在拱顶A、拱腰B、拱脚C和仰拱底部D设置4个计算点。

图1 隧道断面尺寸及考察点布置

新型初期支护结构主要由格栅拱架、锚杆、C25喷射混凝土构成。本文在FLAC 3D中计算时，用beam结构单元模拟格栅拱架，间隔1 m布置；用cable结构单元模拟锚杆，锚杆采取1 m间隔布置；C25喷射混凝土用shell结构单元模拟(图2)。

图2 支护结构的钢架锚杆布置

计算时的围岩参数根据JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》[7]中提供的无实测数据时Ⅴ1级围岩物理力学参数设置，隧道初期支护结构及围岩的物理力学参数见表1。

表1 拉锚结构支护材料参数

隧道的计算模型采用两台阶开挖方式掘进, 即上台阶开挖20 m后，下台阶开始开挖。二衬施作时，其施作断面与下台阶掌子面也始终保持20 m距离，计算时的隧道开挖过程示意见图3。需要指出的是在模型计算时隧道开挖和初期支护是同时完成的，即完成开挖时也完成了初期支护[8]。

图3 隧道开挖过程示意

2 主应力发展

在工程中，Ⅴ1级软弱围岩常常表现出岩体破碎、结构面发育及结合状况一般且呈破裂状、各项物理指标低等特点。目前，在Ⅴ1级软弱围岩中的施工重点普遍倾向于控制围岩变形，进而采用了“早支护”“强支护”的施工方法。这种支护方法较早地提供了一个大的支护力P值，使围岩再次进入三向应力的状态，从而达到稳定围岩、控制位移的目的[9]。而该新型支护结构则提供了一种柔性的支护方式，允许围岩发生足够变形，充分释放围岩形变压力。在围岩变形发展工程中，新型支护结构支护力P值逐渐增大，最终稳定围岩、控制变形。因此，新型结构支护下围岩应力状态与传统的钢架+挂网喷混凝土支护有很大差别。

本文选取隧道模型中心位置处即纵向30 m断面处作为研究对象。在计算时，考察了该断面处A、B、C、D4个点在新型结构支护后的主应力发展变化，其中整理得到最大主应力和最小主应力变化见图4、5。

从计算结果来看，最大主应力和最小主应力发展趋势相同。即在上台阶开挖时，各计算点应力大小按拱脚(C)>拱腰(B)>拱顶(A)>仰拱底部(D)分布。随后在隧道围岩三次应力重分布期间，围岩在柔性支护下变形发展，相对应各考察点应力陡降，其应力下降斜率呈现出拱脚(C)>拱腰(B)>拱顶(A)>仰拱底部(D)特点。

上台阶开挖支护稳定后，拱顶和拱腰应力在支护力作用下开始回升，其回升幅度约为下降值的1/4～1/3。拱脚和仰拱处围岩应力继续下降到一定值后便趋于稳定。当下台阶开挖后，拱脚和仰拱底部围岩应力开始回升。拱脚应力回升幅度约为其下降值的1/10，仰拱底部应力回升幅度约为其下降值的1/5。此外，在下台阶开挖时，拱腰应力会再次小幅度下降，支护稳定后拱腰应力又呈增长趋势，并且超过其再次下降前的应力值。当拱圈所有初期支护稳定后，各计算点应力有缓慢增长趋势，但增幅不大、总体趋于平稳。应力大小分布最终表现为：拱腰(B)>拱顶(A)>仰拱底部(D)>拱脚(C)。

图4 隧道30 m断面处最大主应力发展

图5 隧道30 m断面处最小主应力发展

3 塑性区发展

由于掌子面的空间效应，当上台阶掌子面开挖至距研究断面5 m处时研究断面开始发生塑性变形。当开挖至距研究断面1～2 m时，拱腰至拱顶发生大面积剪切塑性变形，且在沿拱圈圆心至拱腰方向，塑性变形向外发展趋势明显。当研究断面上台阶开挖后，拱圈上部围岩大部分退出塑性变形状态而拱脚至拱腰段的围岩开始产生剪切塑性变形且塑性区域向外扩散，同时仰拱下部的部分围岩也开始塑性变形[10]。

当下台阶开挖至距研究断面15 m时，隧道边墙墙角下方开始发生塑形变形，且在沿着拱圈圆心至墙角的方向外扩发展。当下台阶开挖至距研究断面5 m时，仰拱底部绝大部分围岩都开始发生剪切塑性变形。因此，研究断面下台阶开挖前整个隧道周围的塑性变形基本上全部完成了，即围岩都退出塑性状态。当然在后续过程中由于围岩的变形发展，只有在下台阶开挖超过研究断面10 m后所研究的断面才不产生新的塑性变形。但这些新的塑性区域面积很小，与已经发生变形的区域相比可以忽略。图6是整个隧道开挖支护过程中发生过塑性变形的围岩区域。

图6 围岩塑性区

由针对Mohr-Coulomb准则和理想弹塑性零塑性体应变的圆形隧道提出的芬纳解可知塑性区半径为：

(1)

式中除了支护抗力P和开挖尺寸R0外，其余参数都是围岩自身的物理量[11]。因此，在既有隧道中塑性区半径只由支护力决定。上式中并没有考虑围岩的自身承载力和稳定性，故孙振宇等提出把围岩自稳能力视为一种虚拟支护力，则支护抗力P为：

P=Pi+Pf

(2)

式中Pi——支护结构产生的支护抗力；Pf——虚拟支护力。

通过式(1)和式(2)可定性分析得到：传统钢架+喷混凝土支护结构在开挖后能够很快地提供一个较大的支护抗力Pi，能够限制隧道开挖后塑性区域的发展[12]。而对于新型支护机构而言，在隧道刚开挖后其提供的支护抗力Pi有限，围岩塑性区发展较为迅速。但当围岩变形和应力释放稳定后，在支护结构作用下围岩形成稳定压力拱，相应的虚拟支护力Pf开始增大，此时围岩所受到的支护抗力P得到提高，围岩塑性区便不再发展。在数值计算模拟中可以验证，相同围岩环境下新型支护结构产生的塑性区面积略大于传统钢架+挂网支护结构，但是两者总体差距不大。

4 位移发展

本文计算时只考虑了平面内主要位移，即拱顶只考察竖向沉降，拱腰处考察向拱圈圆心位移，拱脚处只考虑横向收敛，仰拱底部只考察仰拱突起[13-14]。图7所示，在掌子面时空效应下研究断面开挖前各考察点已经产生了位移。其中拱顶、拱腰、仰拱3个考察点开挖前的位移量达到了各点位移收敛值的1/4～1/3。

图7 隧道30 m断面处位移发展

除拱脚外其余3个考察点位移发展规律相似，它们在下台阶开挖之前就开始收敛。而拱脚位置处的位移速度明显受到拱顶和拱腰位移的影响：上台阶开挖后拱顶和拱腰位移速度增加，拱脚横向位移速度也增加；而当拱顶和拱腰位移趋于收敛时，拱脚位移速度明显放缓；下台阶开挖时，拱顶、拱腰、仰拱位移基本收敛，拱脚处的位移速度在短时间内猛增后收敛。

综上可知，拱顶、拱腰、仰拱位移不受其他部位影响，而拱脚处位移则与拱顶、拱腰位移和下台阶开挖有关。

在隧道围岩位移弹塑性解析中，围岩洞周变形U可以表示为支护力P的函数，它们在坐标系中形成的曲线称为围岩特征曲线。然而在隧道工程实际中并不是围岩一开始变形支护结构就开始受力，往往是在经过围岩缓慢变形逐渐与支护结构贴合后围岩才开始受力。该新型支护结构更是这样，因此，围岩特征曲线应该是在隧道开挖界面处围岩的位移U和围岩在该处所受到的法向力σθ关系曲线。这种定义中，自然包含了支护结构对围岩位移和受力的影响，同时所计算数据采集方便[15]。本文将采取后者定义来研究分析新型支护结构下围岩特征曲线。

开挖过程中拱顶位移最大而拱脚处位移变化最复杂，故在分析时着重考虑此两点在开挖支护过程中的变化情况。绘制拱顶、拱脚处的围岩特征曲线见图8，图中σθ以指向隧道拱圈圆心为正值，反向则为负值。

图8 围岩特征曲线

图8中围岩各处起始点处为上台阶开挖时状态，此时的围岩特性曲线点受掌子面掘进时空效应影响，这里不做讨论[16]。在隧道开挖支护后，拱脚处围岩应力迅速下降，最后应力变为负方向。此过程中围岩位移增长约为收敛时的1/5。拱脚围岩法向应力为负值时表现为拱脚受拉，此时拱脚围岩应力大小几乎不变而位移增长趋势明显。此过程中位移增长，约为收敛时的2/5。当下台阶开挖、支护结构闭合成拱后，支护结构提供的支护力增大，围岩受力状态得到改善。此时围岩应力逐渐增长为正值，且随着位移发展表现出收敛趋势，收敛后的应力约为开挖时的1/3。而围岩位移在此过程中增速逐渐增加，并在应力收敛后位移开始收敛。

在上台阶开挖后，拱顶位置处应力直线下降为开挖前的1/2，此过程中围岩位移变化较小。在接下来的过程中，围岩位移迅速增长而围岩应力仅有小幅度增加，直至围岩位移收敛。

5 结论

本文结合FLAC 3D数值计算软件研究分析了格栅拱架和系统锚杆连接成的新型柔型支护结构在台阶开挖条件下围岩的力学特性，分别讨论了在整个开挖支护过程中围岩应力和围岩位移的发展状况，主要得到以下结论。

a) 在隧道计算模型中设置考察点，跟踪分析了新型支护结构下软弱围岩的主应力发展规律。本文提出的柔性支护结构能够释放较大的围岩压力，并逐渐给隧道围岩提供支护力使围岩稳定。同时得出拱脚处的围岩会禁受拉的不利状态，但该处围岩位移能够在支护结构作用下快速收敛稳定。

b) 从隧道模拟开挖过程中，跟踪分析了研究断面塑性区的发展状况。引用“虚拟支护力”概念分析了新型支护结构限制塑性区发展原理。本文提出新型支护结构能较好地适应围岩变形，对围岩塑性区发展控制相对较弱。但该支护结构能够使围岩更容易形成压力拱、增强围岩虚拟支护力Pf。

c) 分析开挖支护过程中各考察点的围岩位移发展规律。通过绘制围岩特征曲线分析了围岩位移与应力间关系。从围岩特征曲线可以看出随着围岩位移收敛，围岩应力也在增加。这表明，此种新型支护机构可以使软弱隧道围岩稳定。