不同岩性接触带超前支护厚度对隧道稳定性影响研究

李 昕，李春光，范世鸿，王宗学

(西南交通大学，四川成都 610000)

近年来，随着国家发展的需要，隧道工程逐渐增多，面对的地形、地质条件越来越复杂，技术挑战越来越多，这给隧道建设提出了更严格的要求。当隧道穿越不同风化带或风化类型区域时，常出现土石交界、软硬不均地质条件，因隧道开挖引起掌子面或前方软硬不均围岩变形、受力不均匀，如果施工不慎或支护不当可引起围岩塌方或支护开裂等灾害，造成工期延误、经济损失甚至人员伤亡[1]。

为了解决这种地质条件的隧道施工问题，国内外学者对其做了大量的研究。朱望瑜[2]针对土石分界地层分析了不同开挖参数对隧道稳定性的影响，并根据洞周位移、围岩塑性区分布以及支护结构受力情况,并结合了隧道具体的地质条件确定和优化隧道的施工工艺参数。左旭[3]通过数值分析研究了土石分界地层分界面倾角、土石面积比、刚度比以及隧道埋深四种因素对隧道支护结构受力和围岩变形的影响。冉铭哲[4]对土石偏压隧道结构安全性和围岩破坏模式展开了研究,并对其主要影响因素进行了分析。韩道录[5]分析了软弱围岩隧道变形的特性和影响软弱围岩变形的几个基本因素。王志杰[6]分析了隧道土石分界处地层大变形机理，并提出了针对性措施。张顶立[7]以隧道掌子面围岩变形加剧点、初期支护施作和围岩变形稳定作为3个关键节点对"支护-围岩"力学演化过程的作用特点进行了分析。孙亚朋[8]分析了小导管注浆超前支护的加固机理,探讨了隧道小导管与注浆加固区、围岩与注浆加固区之间的相互作用机理。

之前的研究成果大多集中在土石分界地层，而在黄土地层，且存在长距离不同岩性接触带的复杂地质条件下，修建大断面隧道的案例极少。此类地层中掌子面前方围岩自稳性能差，一旦开挖极易发生塌方等安全事故，因此在对掌子面前方围岩进行超前支护显得尤为重要。本文针对不同岩性接触带(红黏土与砂岩夹泥岩接触带、黏质黄土与砂岩夹泥岩接触带)，在不同超前支护厚度下分析研究围岩稳定性，为类似工况下的隧道建设提供依据。

1 工程概况

贾塬隧道位于甘肃省庆阳市庆城县，为双线单洞隧道，是银西铁路控制性工程。隧道最大埋深约260 m，最小埋深14 m；总长11 860 m，主要经过董志塬边缘黄土梁峁沟壑区，地形破碎，冲沟发育，灾害频发。贾塬隧道穿过不同岩性接触带，地质情况复杂。根据勘察资料，隧道围岩的物理力学参数如表1所示。

表1 隧道围岩的力学参数

2 数值模拟

2.1 计算模型的建立

根据贾塬隧道的现场实际情况和施工设计资料，利用有限元软件MIDAS-GTS建立贾塬隧道的数值计算模型。建模时横向以隧道中线位置向两侧各取60 m，竖向取仰拱底部以下50 m，沿隧道轴向取40 m，拱顶以上取50 m，剩余埋深以竖向均布荷载的形式施加。

在模型的底部边界采用竖向约束，前后左右边界均采用水平约束。隧道围岩特性按弹塑性材料考虑，采用摩尔-库仑准则，初期支护采用shell单元，锚杆采用cable单元，钢拱架通过提高初期支护弹性模量来等效。根据开挖对隧道结构影响大小的施工经验、计算经验和实际开挖步长，监测模型沿隧道轴向24 m处的断面。部分计算模型如图1所示。

图1 计算模型

2.2 数值计算工况

研究不同岩性接触带大断面隧道合理支护体系，以依托工程贾塬隧道设计工法与支护参数为基础，建立不同岩性接触带隧道区间三维分析模型，模拟不同性质接触带(红黏土与砂岩夹泥岩接触带、黏质黄土与砂岩夹泥岩接触带)在不同超前支护厚度的条件下，隧道开挖后支护结构的受力情况和围岩变形规律。选取的5种超前支护厚度分别为0 m、1 m、2 m、3 m、4 m。

为了突出所研究支护结构对整个支护体系的影响，在对某一支护结构参数进行分析时，将其他支护结构的参数设置为在JTG D70-2004《公路隧道设计规范》允许范围内的较低标准，参数具体设置值见表2。

表2 支护结构参数基础设置值

3 计算结果及分析

在红黏土与砂岩夹泥岩接触带和黏质黄土与红黏土接触带中，为研究超前支护对隧道围岩稳定性的影响，分别提取了5种工况下开挖断面的拱顶沉降、拱腰位移及仰拱隆起数据进行分析。

3.1 拱顶沉降

图2给出了红黏土与砂岩夹泥岩接触带中5种超前支护厚度下拱顶沉降时程曲线。

图2 不同超前加固厚度下拱顶沉降时程曲线

由图2可知，随着掌子面的推进，拱顶沉降逐渐增加，且初期沉降速率很大，而后速度逐渐减缓，在掌子面开挖45 m后，拱顶沉降有收敛的趋势。观察最后的拱顶沉降值可知，无超前加固时拱顶沉降值最大，最大值为6.73 cm；超前支护厚度为4 m时，拱顶沉降值最小，最小为5.87 cm。随着超前支护厚度的逐渐增加，拱顶沉降值依次为：6.73 cm、6.37 cm、6.23 cm、6.04 cm、5.87 cm。黏质黄土与红黏土接触带中五种超前支护厚度下拱顶沉降时程曲线和上述曲线一致，只是在量值上有所差异，为了方便研究，提取不同工况下的拱顶沉降最大值如表3所示。由此可知，随着超前支护厚度的增加拱顶沉降值越来越小。

表3 不同超前加固厚度下拱顶沉降最大值 cm

3.2 拱腰水平位移

绘制红黏土与砂岩夹泥岩接触带中在五种超前支护厚度工况下拱腰水平位移时程曲线如图3所示。

图3 不同超前支护厚度工况下拱腰水平位移时程曲线

由图3可知，随着掌子面的推进，该工况下拱腰水平位移逐渐增加。在开挖掌子面通过监测断面后，拱腰水平位移值有收敛的趋势。观察最后的拱腰水平值可知，无超前加固时拱腰水平位移最大，最大值为0.98 cm；上超前支护厚度为4 m时，拱腰水平位移值最小，最小为0.91 cm。随着超前支护厚度的逐渐增加，拱腰水平位移值依次为：0.98 cm、0.96 cm、0.94 cm、0.93 cm、0.91 cm。黏质黄土与红黏土接触带中五种超前支护厚度下拱腰水平位移时程曲线和上述曲线一致，只是在量值上有所差异，为了方便研究，提取不同工况下的拱腰水平位移最大值如表4所示。由此可知，各超前支护厚度工况下拱腰的水平位移值相差较小，超前支护的厚度对拱腰的水平位移影响较小。

表4 不同超前加固厚度下拱腰水平位移最大值 cm

3.3 仰拱隆起

绘制红黏土与砂岩夹泥岩接触带中在五种超前支护厚度工况下拱隆起时程曲线如图4所示。

图4 不同超前加固厚度工况下仰拱隆起时程曲线

由图4可知，随着掌子面的推进，该工况下仰拱隆起逐渐增加，在开挖掌子面通过监测断面后，仰拱隆起值有收敛的趋势。观察发现5条时程曲线基本重合，随着超前支护厚度的逐渐增加，仰拱隆起值依次为：2.64 cm、2.63 cm、2.64 cm、2.65 cm、2.65 cm，黏质黄土与红黏土接触带中5种超前支护厚度下仰拱隆起时程曲线和上述曲线一致，只是在量值上有所差异，为了方便研究，提取不同工况下的拱腰水平位移最大值如表5所示。由此可知，超前支护的厚度对仰拱隆起高度基本没有影响。

表5 不同超前加固厚度下仰拱隆起最大值 cm

3.4 初期支护应力

红黏土与砂岩夹泥岩接触带中不同超前支护厚度的工况下初期支护的应力云图见图5。

图5 不同超前加固厚度工况下初期支护应力云

由图5可知，不同超前支护厚度工况下，初期支护均在拱肩处出现应力集中。无超前支护时初期支护最大压应力值为11.6 MPa，有超前加固时，四种超前加固厚度的工况下初期支护的最大压应力值均在11 MPa左右。黏质黄土与红黏土接触带中五种超前支护厚度下初期支护应力分布和上述应力云图类似，不再赘述。由分析可知，施作超前支护能降低初期支护的应力，但超前支护的厚度对初期支护最大压应力和应力分布影响较小。

4 结论

针对不同岩性接触带围岩软硬不均、自稳能力差的特点，采用FLAC3D数值软件分析了不同超前支护厚度对围岩及支护结构的受力特征及变形规律。主要得出以下结论：

(1)在红黏土与砂岩夹泥岩接触带地层和黏质黄土与红黏土接触带地层中，随着隧道超前预加固厚度的增加，拱顶沉降值越来越小，说明超前支护厚度对拱顶沉降影响较大。

(2)在红黏土与砂岩夹泥岩接触带地层和黏质黄土与红黏土接触带地层中，增加超前预加固厚度，拱腰水平变形值和仰拱隆起值变化较小，说明超前支护的厚度对隧道拱腰收敛和仰拱隆起影响较小。

(3)在红黏土与砂岩夹泥岩接触带地层和黏质黄土与红黏土接触带地层中，施作超前支护能降低初期支护的应力，但超前支护的厚度对初期支护最大应力和应力分布影响较小。