某巷道工程治理数值分析研究

朱 刚

（中国铁建国际投资集团有限公司）

国外某巷道工程长度约为620 m，包括圆形硐室1座、长方形硐室1座、主通道2条。主通道大部地段采用素喷混凝土支护，圆形和长方形硐室采用锚喷网联合支护，出入口的端处采用钢筋混凝土衬砌，全部隧道底板均用喷射混凝土回弹料作找平层并压实。但由于年久失修，经现场踏勘发现，隧道工程素混凝土局部出现开裂、渗水、滴水等不利情况，存在一定安全隐患。为了消除安全隐患，需对该隧道工程开展灾害治理分析研究，以保证该工程安全稳定。

1 工程地质分析

1.1 钻孔取样工作

利用Maptek-I-SiteSR3三维激光扫描仪形成的地形图，对国外某隧道工程的钻孔取样以及计算剖面（图1）进行合理布置，从隧道工程东入口开始，每隔50 m布设2个取样钻孔，钻孔深度为50 cm，孔径为50 mm，设计钻孔20个，累计进尺10 m，图2为钻孔平面位置图。

1.2 工程地质概况

（1）中厚层状粗粒长石石英砂岩夹厚层状细砂岩以4组节理为主：①50°∠70°，4条/m，②218°∠31°，3条/m，③316°∠79°，3条/m，④125°∠85°，1条/m。第2组节理切割第3组，而第4组又切割第2、第3这2组节理，第4组节理面有泥质充填。巷道84.8 m处以1条压扭性断层（F5）为主，断层西壁宽1.2 m，顶宽2 m，东壁宽0.6 m；构造角砾岩经地下水渗透大多已强风化，呈泥状为多，夹少量未风化完毕的原岩角砾，断层产状为5°∠52°；巷道90 m处以3组节理为主，129°∠81°，1～2条/m，切割深，节理面平直，延伸至顶板（图3）。

（2）中粗粒长石石英砂岩为厚层状构造，颜色为灰白色，碎屑成份以石英长石为主，胶结物为钙质、铁质及少量硅质，有代表性节理有2组：①走向为280°，倾角65°；②走向为230°，近乎直立。巷道135 m处1组节理较发育，密度较大，1 m内达15条之多，岩块出理挤压、破碎现象，少数成为碎裂岩，其块度大小10～15 cm不等，节理产状走向为275°，倾向为N，倾角为50°。巷道136～144 m岩性较完整，硬度为5.5～6，在南壁出现一夹层，走向为210°，倾向为120°，倾角为33°～35°，顶板岩石较碎裂。长石已高岭土化，泥质粉砂岩，灰白色泥质粉砂结构，薄层状构造，成份以粉砂质和泥质为主，土多为高岭土化，中风化状，极易脱落（图4）。

2 计算工况的划分

（1）工况1。现状条件下围岩数值分析（无支护措施）。

（2）工况2。现状条件下，围岩在锚杆+锚喷混凝土衬砌情况下数值分析，隧道围岩支护见图5。

3 计算参数的选取

本次数值模拟的计算参数依据围岩体物理力学性质［1-2］试验，并以相关技术规范与手册为参考。经综合分析后确定本次围岩计算参数见表1。

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4 有限元模型

采用实体计算模型GTS构建方法将该隧道工程地质模型与数值计算模型实现集成和转换，建立隧道工程数值计算模型见图6、图7，对模型采用表中的岩体力学参数进行属性赋值，采用位移约束边界条件，即模型的左右（X方面）边界、前后（Y方向）边界和底边界均施加位移约束条件，隧道内部为自由边界，采用摩尔-库伦破坏准则［3］对该围岩岩体进行模拟计算，分析其位移场和塑性区的分布特征与变化规律。

5 计算结果分析

5.1 工况1模拟结果

由图8～图11可以看出，在工况1条件下，围岩位移主要发生在拱顶部位，隧道底板在开挖时由于应力释放可能发生部分回弹，表现为隆起的现象；沉降等值线基本呈对称分布［4］，最大沉降量发生在隧道中心处；地层竖向位移距离隧道洞口越远，其沉降呈逐渐减小的趋势，直至不发生变化。由塑性区分布可知：隧道围岩塑形屈服主要发生在隧道的浅层区域，即表层可能发生掉块、挤压破坏现象；1—1剖面的竖向位移、塑性区分布较2—2剖面大，主要可能由于1-1剖面隧道跨度以及高度较大所致。

5.2 工况2模拟结果

由图12～图15可以看出，在工况2条件下，围岩位移、塑性区分布图变化与工况1类似，但较工况1条件下位移变化量降低、塑性区影响区域减小，说明了喷射混凝土与锚杆共同作用对围岩的位移变化［5］有限制作用，达到了预期效果；轴力图、网喷混凝土内力图总体呈对称分布，拱顶处锚杆内力最大，2—2剖面的锚杆内力、网喷混凝土内力分别为18.5，6.74kN，拱顶处锚杆拉力较大，即顶部区域的锚杆较好地限制了围岩的塑性变形破坏［5-6］。由网喷混凝土衬砌主应力图可知：2—2剖面混凝土最大压应力为6.74 MPa，小于设计混凝土的强度值，故网喷混凝土总体是安全的。

6 结 论

（1）在现状条件下，围岩位移主要发生在拱顶部位，底板修建时可能发生部分回弹，表现为隆起的现象，距隧道开挖面越远，其位移变化逐渐减小，直至无明显位移变化。位移等值线基本呈对称分布，最大沉降量发生在隧道中心处；围岩发生塑形屈服主要在隧道的浅层区域，即表层可能发生掉块、挤压破坏现象，总体呈稳定状态，1—1剖面的竖向位移、塑性区分布较2—2剖面大，主要是由于1—1剖面隧道跨度以及高度较大。

（2）围岩在采取锚杆+网喷混凝土衬砌后，围岩位移、塑性区分布图变化规律与工况1类似，但位移变化量降低、塑性区影响区域减小，说明采用锚杆+网喷混凝土治理措施后达到了预期的支护效果；锚杆内力图、网喷混凝土内力图总体呈对称分布，拱顶两侧处锚杆内力最大，2—2剖面的锚杆内力、网喷混凝土内力分别为18.5，6.74 kN，即顶部区域的锚杆较好地限制了围岩的塑性变形破坏，此时锚杆作用明显，治理效果较佳。

（3）在现状条件下，隧道工程围岩总体呈稳定状态，但隧道围岩的浅层区域随着时间、应力以及外力等多因素共同作用下，会造成隧道围岩体浅层发生风化碎裂,从而降低了围岩体自身强度，乃至出现塌落、挤压等破坏现象，存在一定的安全隐患。