松散岩堆隧道洞口段初期支护厚度对隧道稳定性影响研究

姜以安 王宗学 黎万宝

摘要：文章针对散岩堆积体隧道洞口段围岩极其破碎、自稳能力差的特点，采用数值模拟与理论分析相结合的手段，分析和探讨了隧道洞口段不同厚度的初期支护对隧道洞周位移及应力的影响特征。研究结果表明：在3种不同工况下隧道洞口段开挖引起的洞周收敛呈拱脚>拱腰>拱肩的分布规律，隧道拱顶产生较大沉降，隧道拱底产生较大隆起，但增加初支厚度对位移的限制效果有限;在3种不同工况下初期支护最大主应力最大值主要出现在隧道拱脚位置，最小主应力的最大值主要出现在拱肩位置，最大剪应力最大值出现位置与最小主应力出现位置相同;3种不同工况下洞周位移和初期支护应力在分布规律上未出现明显区别，随着初期支护厚度的增加而减小。

[作者简介]姜以安（1977—），男，本科，工程师，从事公路、桥梁、隧道施工技术管理工作。

近年来，随着我国对西部的建设和开发，隧道已经成为穿越山岭地形的必不可少的工程。由于西部地区“两山夹一谷”的地形特点，很多隧道洞口段处于松散堆积体上。松散堆积体隧道洞口段围岩极其破碎、自稳能力差，隧道施工的难度和事故大大提高。因此，针对松散堆积体隧道洞口段施工往往需要着重考虑初期支护的参数，保证围岩及结构的稳定性。

为了解决松散堆积体隧道施工的问题，国内外学者对其做了大量的研究。邓永杰[1]通过数值模拟分析每种工况下位移、应变、应力，得出开挖过程中围岩变形以及支护受力变化规律。周清学等[2]通过研究厚层松散堆积体3种施工工法下的围岩塑性区和围岩位移，对其施工工法进行优化。兰旭等[3]利用数值模拟，采用全断面开挖，在不同断面处分析洞口位移等参数得出洞口围岩变形规律。谢亦朋等[4]依托云南罗打拉隧道，构建堆积体地层隧道开挖细观结构模型，深入研究了松散堆积体隧道围岩变形破坏细观特征。昝文博等[5]采用弹塑性非线性有限元法，分析了松散堆积体隧道围岩空间位移特征，发现隧道开挖引起的围岩变形具有明显的三位特性。宋志荣[6]依托二郎山隧道，介绍了隧道开挖施工遇到的问题和解决措施，提出了浅埋偏压大范围松散堆积体的进洞技术。周业萍等[7]通过建立边坡模型以得出控制性结构面物理力学参数，并提出评价以及加固措施。陈水和[8]依据宅岭隧道，介绍了松散堆积体塌方带的穿越施工技术和预防其再次塌方的关键措施。

然而在松散堆积体地层的工程实践中，塌方、冒顶等施工仍然频发，威胁着工程施工人员的生命安全和结构的稳定性，同时存在着针对松散堆积体地层初期支护的研究不足的问题。因此本文以重庆火凤山隧道为工程依托，对松散岩堆隧道洞口段不同厚度的初期支护进行了分析研究，为初期支护的设计提供理论支持，并且为重庆高速公路隧道的安全、快速施工提供重要保障。

1 隧道数值计算模型

以重庆火凤山隧道为对象，建立隧道数值计算模型，采用FLAC3D软件，研究隧道不同初期支护厚度对围岩稳定性的影响，将分别对初期支护厚度30 cm、初期支护厚度34 cm、初期支护厚度40 cm 3种工况下隧道洞周位移和初期支护应力进行分析。

根据隧道纵断面地质资料，建立三维网格模型，模型的边界条件设置为左、右、后3个边界面限制垂直于平面方向的位移，底面限制垂直于平面和平行于平面方向的位移，前边界面隧道开挖处采用自由界面，周围喷射的混凝土采用shell单元模拟，上边界面坡体采用种草护坡，也采用shell单元进行模拟，计算模型如图1所示。

2 计算参数选取

根据以往的经验资料和隧道地层土工试验参数，确定隧道结构模型的计算参数，具体计算参数如表1所示。

依照JTG D70-2004《公路隧道设计规范》，VI级围岩初期支护厚度通常采用试验、计算确定，但考虑到松散堆积体隧道洞口段围岩稳定性极差，容易发生塌方等事故，故应采取强支护方案，本次计算拟定分析对比初期支护厚度分别为30 cm、35 cm、40 cm 3种工况下的初期支护变形和受力特征，以确定最优厚度。

由于不同的初期支护厚度也会对折算的初期支护壳单元的力学参数产生影响，表2列出了各初期支护厚度下壳单元的力学参数。

3 计算结果及分析

在松散岩石堆积体地层中，为研究初支厚度对隧道洞口段稳定性的影响，分别提取了3种工况下拱肩、拱腰、拱脚、拱顶和拱底的竖向位移进行分析，同时提取开挖完成阶段的初期支护应力进行研究。具体计算结果如下。

3.1 洞周位移

图2是初期支护厚度35 cm时隧道拱顶、拱肩、拱腰、拱脚及拱底的位移变化规律。

由图可知，随着开挖进尺的增加，隧道各特征点的最大位移值也不断增大。在掌子面前方一定范围内，已经产生了一定的小变形，随着开挖面的推进，拱顶下沉不断增大，其初期下沉速率很大，而后速度逐渐减缓，并趋于稳定。在初期支护35 cm的工况下，隧道拱顶沉降最大值达到了31.02 mm，拱肩沉降最大值達到了39.21 mm，隧道底部隆起最大值达到了12.14 mm。初期支护厚度30 cm、40 cm 2种工况下洞周位移变化规律和上述工况一致，只是在量值上有所差异。为了研究方便，提取不同工况下的各监测点位移最大值见表3。

由图表分析可知，在3种不同工况下隧道洞口段开挖引起的洞周收敛呈拱脚>拱腰>拱肩的分布规律，隧道拱顶产生较大沉降，隧道拱底产生较大隆起。不同工况下的隧道洞周位移值具有一定的差异，隧道洞周位移值随着初期支护厚度的增多而减小;初支厚度增加16 %，隧道洞周位移减少约3 %，即初支厚度的增加对限制隧道洞周位移效果有限。

3.2 初期支护结构受力分析

图3和表4给出了3种工况下隧道初期支护结构的最小主应力、最大主应力和最大剪应力的变化情况及最大值。

由图3可知，随着开挖的不断进行，初期支护结构受力也相应增加;在拱脚和拱腰处，有应力集中的现象。初期支护最大主应力最大值主要出现在隧道拱脚位置，且以靠近洞口30 m段为主;最小主应力的最大值主要出现在拱肩位置，且以靠近掌子面处为主;初期支护的最大剪应力出现位置与最小主应力出现位置相同。在初期支护厚度35 cm的工况下，隧道初期支护的最大主应力达到3.91 MPa，最小主应力达到4.52 MPa，最大剪应力达到3.65 MPa。不同初期支护厚度工况下初期支护结构受力变化规律无明显区别，只是在量值上有所差异，其值随着初期支护厚度的增多而减小。

4 结论

针对散岩堆积体隧道洞口段围岩极其破碎、自稳能力差的特点，采用FLAC3D数值软件分析了不同初期支护厚度对隧道结构变形及应力的变化特征。主要得出结论：

（1）从洞周位移进行分析，3种工况下洞周位移在规律上没有明显差别，只是在量值上有一定差异。洞周收敛呈拱脚>拱腰>拱肩的分布规律，隧道拱顶产生较大沉降，隧道拱底产生较大隆起;不同工况下的隧道变形量具有一定的差异，隧道围岩变形值随初期厚度增加而减少，但减小值有限。

（2）从初期支护受力进行分析，3种工况初期支护受力分布规律上也并未出现明显区别，主要在量值的大小有所不同。初期支护厚度增加导致应力的减小，这说明喷射混凝土厚度增加有利于初期支护结构的受力。

（3）综合来看不同初期支护厚度工况下计算得到的围岩位移较小，增加初支厚度对位移的限制效果有限但可明显改善初支结构的受力。在实际施工过程中，为满足位移控制要求，不过分抑制围岩的应力释放，可适当增加初期支护的厚度。

参考文献

[1] 邓永杰. 浅埋偏压大跨度隧道洞口段进洞技术研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[2] 周清学，张熙，张建明，等.厚层松散堆积体偏压隧道施工方法优化研究[J].四川建材，2019，45（10）：96-97+99.

[3] 兰旭. 花石沟隧道洞口仰坡数值模拟及其稳定性分析[D].武汉：华中科技大学，2012.

[4] 谢亦朋，杨秀竹，阳军生，等.松散堆积体隧道围岩变形破坏细观特征研究[J].岩土力学，2019，40（12）：4925-4934.

[5] 昝文博，赖金星，张玉伟，等.松散堆积体隧道围岩空間位移特征分析[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2017，18（3）：270-276.

[6] 宋志荣.公路隧道穿越浅埋偏压大范围松散堆积体进洞施工技术[J].铁道建筑技术，2015（2）：38-41+69.

[7] 周业萍，常嘉.某隧道边坡稳定性研究[J].山西建筑，2012，38（9）：167-169.

[8] 陈水和.松散堆积体塌方带穿越施工技术研究[J].西部探矿工程，2014，26（8）：194-198.