公路Ⅳ级围岩支护结构对围岩稳定性影响分析

朱雪健，张 念，李东运

(太原科技大学 交通与物流学院，太原 030024)

随着经济、科学、技术的快速发展，中国对城市地下交通和空间的使用提出了更高的要求。为了节省时间，加强基础设施建设，提高经济发展效率，穿山隧道工程建设不可避免，最近几年蓬勃发展的公路建设，对隧道工程在技术上和难度上提出了更高的要求。当隧道处于挖掘和支撑时，洞室周围岩体的内力将发生相应的改变，围岩很可能会出现失稳现象，给工程施工带来极大的安全隐患[1-2]。确保隧道围岩的稳定性对于隧道的平稳施工和安全运营起着极其重要的作用。本文以在建公路隧道为研究对象，研究隧道开挖后围岩稳定行的变化。

1 工程概况

在建隧道洞体全长792 m，入口段里程桩号为K11+728，洞口底板设计高程为1 121.358 m，出口段里程桩号为K12+520，隧道底板设计高程为1 102.905 m，隧道最大埋深71.0 m，位于K12+066，设计时速为60 km/h，根据地质钻探和地质调查，隧址区出露地层以寒武系、奥陶系灰岩为主，局部残留石炭系，围岩等级Ⅳ级，稳定性较差，隧道单洞双线采用台阶法开挖施工方案，采用预支护喷射混凝土→锚杆支护→再次喷射混凝土→ 型钢或格栅钢架的支护，并建立量测监控体系，据系统反馈的动态信息及时指导施工。

图1 隧道施工断面图Fig.1 Tunnel construction fracture diagram

2 数值模型的建立与计算

2.1 模型的建立

在外力作用下，岩土材料被认为是弹塑性体，具备弹塑性体的基本力学特征。对围岩及混凝土材料进行简化处理，通过弹塑性理论对其进行研究，围岩采用理想弹塑性本构关系的摩尔—库伦模型，混凝土则按线弹性模型处理。数值模拟分析部分是基于 MIDAS/GTS 软件来进行数值模拟分析，水平方向为X方向，垂直方向为Y方向。结合隧道的跨度，计算模型开挖中心点两侧宽度及深度是隧道开挖宽宽度的三倍[3-4]，上部高度取至地表，计算模型总宽b为75 m，高h为72 m；网格划分为Delaunay网格法，建立了四边形和三角形混合的网格；通过从地层的物理挖掘表面提取单元格操作来完成支撑结构中的喷射混凝土。对于围岩地层的加固，则通过改变“边界条件”中的“单元属性”来实现。隧道的开挖与支护是通过钝化和激活网格单元来实现[5]。岩体被认为是单一的均质岩体，只考虑土层的自重荷载。本计算模拟出两种工况下的隧道计算模型，即工况一、隧道开挖后没有支护(开挖净断面不做任何处理)；工况二、隧道开挖后有支护。隧道计算模型如图2、图3.

图2 工况一 隧道计算模型Fig.2 Calculation model of working condition one tunnel model

图3 工况二 隧道计算模型Fig.3 Calculation model of working condition two tunnel model

在本计算中隧道围岩采用实体平面应变单元，混凝土采用梁单元，梁的形式为矩形，(高)H=0.012 m，(宽)B=1 m，锚杆采用的是桁架单元，桁架的截面形式是圆形，其(直径)D=0.025 m，其他材料的物理力学参数指标[6-7]根据隧道实际情况进行调整，详见表 1.

表1 模型中各材料的物理力学参数

3 计算结果分析

3.1 隧道剪力分析

从上图可以看出：

(1)进行支护后，整个断面的剪力有成倍增加的趋势。在支撑过程中，混凝土拱肋是主要的受力构件，拱肋和混泥土喷涂层紧密附着在周围岩石上，形成抗剪切和粘附。喷射混凝土拱肋与围岩之间的接触面上的抗剪切力提供了肋拱的轴力，并且接触表面上的剪切力通过切向应力传递到周围的岩石。拱形压力区形成于围岩中，混凝土 作用于围岩，完全支撑阻力，限制围岩变形，使岩体保持类似三轴的应力状态，此外控制围岩的应力释放以改善隧道的稳定性。

图4 工况一 剪力云图Fig.4 Working condition one shear Force cloud map

图5 工况二 剪力云图Fig.5 Workingcondition two shear Force cloud map

(2)隧道开挖后，拱脚剪力为最大值，进行支护后拱脚处剪力值仍为最大值，之所以会出现这种情况，可能由于拱脚结合部位不平顺，拱脚下沉，围岩位移导致支护结构产生应力集中，从而产生较大的剪力。

3.2 隧道位移分析

从上图可以看出:

(1)两种工况条件下，隧道收敛主要发生在隧道两侧，其中拱腰的收敛程度最大，拱顶几乎不存在收敛，说明隧道受水平围岩侧向压力影响较为明显；在工况二条件下，隧道断面的收敛幅度相对工况一条件有所减小，说明增加支护结构可以减小隧道的收敛，为了减小隧道的收敛程度，在隧道断面开挖后应及时作支护处理；

图6 工况一水平方向位移云图Fig.6 Working condition one horizontal direction displacement cloud map

图7 工况二水平方向位移云图Fig.7 Working conditiontwo horizontal direction displacement cloud map

(2)两种工况条件下，隧道都会出现两侧收敛对称相抵消的现象。这是由于隧道两侧围岩抗力强弱程度不同，在水平侧向压力的作用下，隧道整体发生侧向移动造成，但对隧道的整体断面及结构不会造成很大影响。

图8 工况一竖直方向位移云图Fig.8 Working condition one vertical direction displacement cloud map

图9 工况二竖直方向位移云图Fig.9 Working condition two vertical direction displacement cloud map

从上图可以看出:

(1)两种工况条件下，隧道竖向位移的部分集都中于拱顶及隧道底部中心附近，拱顶出现下沉现象，隧底出现起伏现象；

(2)工况二较工况一条件下，隧道拱顶竖位移有所减小，隧道底部位移几乎保持不变。这说明增加支护结构后，支护结构在某种程度上减小了拱顶的竖向位移；由于隧底没有进行加固同工况一条件基本相同，所以工况二较工况一条件下，隧底几乎没有变化；

(3)拱顶出现下沉现象，这是由于隧道开挖后，拱顶处于悬空状态，受垂直围岩压力发生变形，容易造成脱落甚至坍塌，因此要特别加固拱顶；隧底出现起伏现象，是由于隧道开挖后，底部围岩受力失去了平衡，使隧道底部围岩向隧道内部挤压。因此对隧道开挖后，仰拱需要及时施工，必要时进行加固控制其变形。

4 结论

(1)工况二条件下，整个断面的剪力有成倍增加的趋势，其中拱脚处剪力值仍为最大值；

(2)工况一、二条件下，侧壁收敛都会出现两侧对称收敛相抵消的现象；

(3)工况二条件下，增加支护后不会阻止隧道断面收敛、沉降的发生，只会使总的收敛度、沉降量减小；

(4)隧道开挖后，隧道竖向位移多集中于拱顶及隧道底部中心附近。拱顶直接受隧道垂直围岩压力发生较大变形，易造成脱落甚至坍塌，因此应特别加固拱顶；隧道底部受到反向的垂直围岩压力而向上变形，所以对隧道仰拱的施工要实时监测，必要时采取加固措施。