软弱围岩隧道喷锚支护开挖时的围岩稳定性分析

向武松

（保利长大工程有限公司，广东 广州 510660）

随着我国基础设施建设大规模铺开，公路隧道不断向山岭地区延伸，山岭隧道越来越多。由于地质条件复杂多变，隧道开挖面临的问题也多种多样，软弱围岩是隧道施工中较常见的施工难题[1-3]。软弱围岩的整体变形较大，开挖过程容易发生坍塌，因此针对软弱围岩开挖时的围岩稳定性探讨十分必要。

一、工程概况

隧址区位于中低山地区，隧道穿越山体陡峻，流水侵蚀严重，地形起伏较大，自然坡度约30°～40°，局部45°～55°，植被发育茂盛，主要为果树及灌木丛，隧址区最大标高为864.143m，隧道为双线单洞。

二、模型建立及施工阶段

（一）隧道模型建立

假定围岩性质为连续、均质及各向同性，初始地应力场为自重应力，即，采用摩尔—库伦屈服准则[7]。初期支护中喷射混凝土采用2D板单元模拟；锚杆采用1D植入式桁架单元模拟；岩体采用3D实体单元模拟。

计算区域横向120m、竖向80m、纵向30m，模型方向规定为：隧道开挖方向为Y轴正向，竖直向下为Z轴正向，隧道掘进横断面向左方向为X轴正向。模型边界X、Y方向位移面施加约束；底部边界Z方向位移面施加约束。模型高度范围有3层土体，第1层土为风化土，厚度为7.5m；第2层土为风化岩，厚度为17.5m；第3层土为软岩，厚度为55m。采用喷锚支护的方式，锚杆采用2×1.8m的间距布置，结构单元示意图如图2所示。

（二）模型参数

根据《公路隧道设计细则（JTG/TD70-2010）》[8]，隧道的围岩参数如表1所示，支护参数如表2所示。

（三）隧道开挖过程

隧道开挖支护采用锚喷支护，开挖进尺为2m，I.S.为隧道初始状态，开挖步数S1～S16。S1时实施第一步开挖和锚杆支护，S2时实施第二步开挖和锚杆支护，以及前一步的喷混，依次类推，S16时实施S15的喷混工作，具体施工支护过程如表3所示。

表1 模型计算土层物理力学指标

表2 喷锚支护材料参数

表3 隧道施工步数

三、数值模拟结果分析

（一）开挖过程围岩位移分析

随着隧道开挖的推进及其对周边围岩的位移影响范围不断扩大，位移最大处基本分布在隧道拱顶及拱底位置。在开挖S1后隧道总位移最大值为2.03mm，开挖S2后总位移值增大至3.1mm，总位移最大变化差值VDT为1.08mm，随着开挖步数隧道总位移最大值DT的不断增大，总位移最大变化差值VDT在不断减小，直至开挖S16后隧道总位移值为4.92mm。

分析发现开挖至S14时，隧道总位移最大值DT值出现了突变，从S13的4.85mm突变至7.15mm，S15开挖后又减小至4.93mm；隧道总位移最大值DT出现在掌子面靠中心位置处，距贯通仅剩最后2m进尺，此时掌子面土体较薄，稳定性下降，存在位移过大风险。

（二）开挖过程围岩应力分析

依据模拟结果可知，水平应力最大值出现在底部土体位置。水平应力最大值S—XX随着开挖步数逐渐增大，最大值为1.79×102kN/m2。

开挖完后拱顶竖向应力最大值为15.9kN/m2。拱腰竖向应力最大值变化较大，整体变化幅度相对较小，最大值为－1.95×103kN/m2。中正号表示受拉，负号表示受压。因此拱顶、拱底处应注重支护，尽量避免拉应力出现。

四、结语

本文利用Midas/GTS，分析隧道施工过程围岩的总位移、水平应力及竖向应力的变化，结论如下：

随着开挖步数总位移最大值DT不断增大，变化差值VDT不断减小，总位移值为4.92mm。

开挖S14，总位移最大值DT值出现突变，DT出现在掌子面靠中心位置，掌子面存在位移过大风险，临近贯通时需注意掌子面稳定性。

围岩水平应力分布未明显集中，最大值为1.79×102kN/m2，出现在底部土体位置，随开挖步数逐渐增大。

随着拱顶竖向应力不断增大，增幅不断减小（最大值为15.9kN/m2），拱腰竖向应力最大值变化越大，整体幅度变化越小（最大值为－1.95×103kN/m2）。对于软弱围岩受压能力较强而受拉能力较弱，开挖过程应注重支护拱顶、拱底处。