高地应力互层软岩隧道支护方案与支护时机优化

2022-03-16刘建勋

高速铁路技术 2022年1期

刘建勋

(中铁十四局集团第三工程有限公司，济南 272100)

我国西部山区地质构造较为复杂，其中不乏互层或夹层等层状软岩，如某隧道沿线地层中，砂岩与千枚岩互层地层占总长的95%以上[1-2]。层状结构岩体，其产状有水平的或倾斜的，有单一的也有复杂多样的[3-5]。层状岩体中层面为主要结构面，结构面沿层面产生错动带，导致层面之间的连接力弱于其他岩体，有显著的层状组合特征[6-8]。深埋长大互层隧道的围岩初始地应力很高，变形量大，岩体的流变特性就更加的明显，增大了隧道修建的难度。

何永旺[9]通过对比不同因素下隧道二次衬砌承载性能，得出当岩性较差时可采用大矢跨比的仰拱结构，同时为保证隧道稳定性建议采用侧压力系数(可选规范中的下限)；黄雄军[10]针对某铁路隧道二次衬砌结构病害，采用有限元软件ANSYS对二次衬砌受力和配筋进行模拟分析，得出拱顶部位的实际配筋量不满足构造配筋要求；田鹏[11]以大梁隧道为背景，对高地应力条件下软岩隧道围岩压力作用规律及二衬受力特征进行研究，得出围岩压力呈现“两侧大，中间小”的分布规律，二次衬砌承担45%～70.3%围岩压力；张新金[12]等以北京地铁10号线三元桥站为例，从地表沉降和隧道结构内力两方面对隧道横通道开挖之前和之后施作二衬两种方案进行分析，最终得出车站施工过程中，站厅隧道二衬应在横通道开挖之前施作。

目前，国内关于高地应力的研究着重于施工技术和变形控制方面，关于二次衬砌施作时机的研究还较少。本文以甘肃尖山隧道为背景，通过数值模拟同时结合现场实际监测的方式，对比不同支护方案和不同二衬支护时机下隧道变形与支护结构受力规律，得到适用于高地应力互层软岩条件合理支护方案与支护时机，为相关工程提供借鉴。

1 工程背景

尖山隧道位于甘肃省白银市平川区大营水至水泉镇附近，穿越水泉尖山山脉。隧道起讫里程为DK 109+780～DK 115+750，全长5.97 km，最大埋深约519 m(DK 112+780)，主要包括志留系下马沟营组变质砂岩夹千枚岩、砂岩夹片岩、板岩互层等，根据现场水压致裂法所测地应力，水平最大主应力12.40 MPa，最大竖向主应力11.46 MPa。本文主要以DK 113+635～DK 113+735段为研究背景，该段软岩主要多为砂岩与千枚岩呈互层分布，层状倾角为70°左右，隧道通过此区域的长度为100 m，采用三台阶+临时仰拱法开挖施工。

2 高地应力互层软岩隧道支护方案与时机研究

2.1 计算模型与计算参数

根据尖山隧道工程概况和设计要求，运用软件ANSYS建立隧道计算模型，运用软件FLAC3D对隧道的开挖及支护进行计算。模型在X、Y、Z3个方向几何尺寸为100 m×80 m×100 m，隧道采用三台阶+临时仰拱法施工，其计算模型图如图1所示。围岩物理力学参数和支护参数如表1所示。

图1 三台阶临时仰拱法示意图

表1 围岩与支护参数表

2.2 支护方案对比分析

支护方案有3种。方案一：原隧道断面支护设计方案为每根锚杆长3.5 m，环向间距为1 m，纵向间距为1.2 m，弹性模量为45 GPa，横截面积为1.57×10-3m2，屈服轴力为130 kN，呈梅花型布置。方案二：改变上台阶的锚杆长度，使用6 m长锚杆，加强对隧道的支护。方案三：在方案二的基础上改变上台阶锚杆的角度，为便于在具体施工中锚杆的打入，且能够更好的控制岩层的滑动，使上台阶左侧锚杆与层状岩层呈90°夹角，右侧锚杆对称分布，从而充分发挥锚杆的支护作用。各支护方案如表2所示。

表2 3种支护方案表

(1)隧道变形分析

为减少边界对计算结果的影响，选取隧道中间断面(Y=40 m)为监测断面，对隧道结构变形进行分析。不同锚杆支护方案下，隧道结构的竖向位移和水平收敛位移时呈曲线如图2和图3所示。

图2 不同方案拱顶沉降图

图3 不同方案水平收敛图

施工模拟过程中，需对围岩及支护结构应力位移分量等进行监测，考虑边界效应带来的影响，选取开挖段的中间断面(Y=40 m)作为监测断面，测点布置如图4所示。

图4 模型测点布置图

从图2、图3可以看出，在控制隧道变形上，方案三>方案二>方案一。拱顶沉降方面，采用锚杆支护方案一时，拱顶沉降为17.68 cm，方案二和方案三的拱顶沉降分别为14.05 cm和15.27 cm，减少幅度分别为20.53%和13.63%。水平收敛方面，采用支护方案一时，水平收敛为31.73 cm，方案二和方案三的水平收敛分别为28.68 cm和23.55 cm，减少幅度分别为9.61%和25.78%。

究其原因在于方案二在方案一的基础上，通过对上台阶每根锚杆从3.5 m增长至6 m，锚杆对围岩的控制区域增大，减少了更多的滑动面。较好的控制了隧道围岩的变形，尤其对隧道拱顶沉降量的控制。方案三通过调整锚杆与互层之间的夹角，可以更好地限制层理之间的滑动，对控制隧道的水平收敛有很好的效果。

(2)锚杆轴力分析

3种锚杆支护方案锚杆轴力分布如图5所示。

图5 3种支护方案锚杆轴力图(N)

在方案一锚杆支护方案中，最大锚杆轴力分布在左右拱肩部位，且左拱肩大于右拱肩。其中左拱肩有4根锚杆右拱肩有1根锚杆已达到锚杆的屈服轴力130 kN，当锚杆轴力达到屈服时，锚杆的支护能力减弱。这是由于高地应力互层软岩隧道在开挖过程中，围岩互层之间滑动力明显，隧道位移变化大，因此锚杆受力也比较大，锚杆的最大轴力均发生在位移变形较大的区域。

当隧道锚杆支护方式采用方案二和方案三时，最大锚杆轴力也均分布在左右拱肩部位，且左拱肩大于右拱肩。其中当采用方案二时，左拱肩有2根锚杆达到屈服，当采用方案三时没有锚杆达到屈服，且左拱肩的锚杆整体上受力更加均匀，能够更加充分发挥锚杆的支护作用，有效的控制隧道围岩的变形。

2.3 二衬施做时机对比分析

对于高地应力互层软岩，围岩比较松散且自承力相对较低，隧道开挖以后围岩的变形比较明显，围岩的受力随着隧道的开挖也在不断地变化。因此，支护结构在隧道开挖时发挥着重要的作用，合理的支护时机可以发挥围岩的自承能力和支护结构的调节能力，既可以提高施工效率又可以节约成本。

为了比较准确分析隧道在施做初期支护以后，围岩的自承能力和初期支护结构的受力情况，通过模拟隧道变形达到极限位移(用λ表示)为85%、90%、95% 3种工况，根据不同支护时机对围岩的变形和支护结构的受力情况，对各方案计算结果进行对比，选出最佳方案。

(1)隧道变形分析

不同二衬支护时机隧道结构关键部位位移变化对比如表3所示。

表3 不同二衬支护时机隧道变形表

由表3可知，隧道关键部位的位移变化值随着λ的增大而增大。当λ从85%变化到90%时，隧道关键部位位移变化值的增长幅度在9.5%～16.15%之间，当λ从90%变化到95%时，位移变化值增长幅度在6.37%～7.30%之间。无论λ为何值，左拱肩增长幅度均为最大，高地应力互层软岩隧道的变形大于其他常规隧道，且软岩隧道的变形具有明显的流变特性，隧道的变形是评价围岩稳定性的一个重要指标。因此当λ值达到85%时，隧道的变形还在持续变化，但变化值比较小，当λ达到95%时，隧道的变形逐渐趋于稳定。

(2)初期支护结构受力分析

不同二衬支护时机隧道支护结构关键部位位移变化对比受力如表4所示。

表4 不同二衬支护时机隧道初期支护结构受力表

由表4可知，随着λ值增大，即二衬支护的时间越晚，初期支护结构所受到的最大压应力和最大拉应力也越大。当λ从85%增加至90%时，最大压应力增大率为8.78%，最大拉应力的增大率为44.44%，当λ从90%增加至95%时，最大压应力增大率为19.72%，最大拉应力的增大率为92.31%。当λ从90%增加至95%时，初期支护受力增长的速度最快。最大拉应力值发生在拱脚附近，且初期支护结构拉应力值都未超过C25混凝土轴心抗拉强度。当λ为90%和95%时压应力值超过了C25混凝土极限抗压强度。究其原因在于二次衬砌支护的越晚，使得围岩的承受能力越低，荷载将主要由初期支护结构承担，因此初期支护结构所受到力越大。

(3)二次衬砌受力分析

3种不同二衬支护时机工况下，对监测断面的二衬压力进行分析，二衬压力分布包络图如图6所示。

图6 3种工况下二衬压力分布包络图(MPa)

从图6可以看出，随着λ值增大，即二衬支护的时间越晚，二衬所受到的压力越小。且受到水平地应力的影响，两侧的压应力大于拱顶的压应力。当λ值为85%时，二次衬砌所受到的最大压应力为11.66 MPa；当λ值为90%时，二次衬砌所受到的最大压应力为10.01 MPa，最大压应力减小了14.15%；当λ值为95%时，二次衬砌所受到的最大压应力为7.18 MPa，最大压应力在上一个基础上减小了28.27%。当λ从90%增加至95%时，二衬所受到的压力减小的速度最快。

由于高地应力互层软岩隧道的特殊性，隧道的变形和支护结构的受力往往比其他隧道要大。由于二次衬砌施做的时间越晚，二衬所要承担的荷载就越小，但此时初期支护受力反而更大，则隧道的变形更大。高地应力互层软岩隧道由于围岩自身的承载能力比较差，隧道施工过程中变形比较大，二衬往往要承担一部分变形，因此二衬需要承担一部分压力，才能更好的控制隧道的变形。