探讨某隧道项目层状岩体变形特征及支护方案优化

张贵谊

[遵义交通建设投资（集团）有限公司,贵州 遵义 563000]

0 引言

隧道工程实践中，地质条件、施工方法、围岩压力分布不对称等原因使得隧道围岩的力学特性复杂多变，隧道开挖过程中层状岩体易发生滑移等安全事故[1-3]。以某高速公路隧道工程为例，建立高速公路隧道围岩结构变形分析数值模型，总结岩体变形特性，提出优化锚杆布置的非对称支护方案[4-5]。即基于原有支护方案优化隧道左侧围岩的锚杆长度、环距及布局。

1 工程概况

某一级风险隧道，总长度10 751 m，最大埋深470 m，为单孔复线隧道，穿越岩层层理清晰，平均厚度35 m。由于层状岩体的承载能力低，原有支护结构出现裂缝和脱落。开挖至DK525+175断面时，工作面周围的岩石坍塌。经过初步的支护处治后，该隧道围岩变形仍在不断发展，被迫中止施工，决定采取回填措施有效控制变形。

2 数值模拟

2.1 计算模型

基于隧道围岩夹层模拟其层理面，初步确定为软弱夹层，适当减小其材料参数以突出层状岩体层间特性。根据莫尔—库仑理论建立层状岩体塑性模型，将岩体视为平面应变单元，其抗剪切强度计算公式为:

式中，τ——破坏面的剪切应力；a——围岩层理面、破坏面之间的夹角；c——岩体黏合力；ϕ——内摩擦角。σ——正应力，相应的围岩整体强度可通过公式（2）、（3）表示：

式中，cmax——与最大主应力平行的岩体黏合力；cmin——与最大主应力垂直的岩体黏合力；a0——围岩层理面、最大主应力的夹角；ϕmax、ϕmin分别表示最大、最小摩擦角。

2.2 边界条件及关键参数设置

该高速公路隧道两侧边沿与其中心线相距60 m，隧道上下边沿相距95 m。隧道上左右边沿设为横向位移约束。岩体层理面倾角30°，间距1.8 m，软弱夹层厚0.02 m，该计算模型大小300 m×300 m，模型关键参数如表1所示。

表1 模型材料参数

按照等效法确定支护参数，以简化模型计算，将钢拱架弹性模量换算到初期支护，具体公式如下:

式中，E——换算后的混凝土弹性模量；E0——换算前的原混凝土弹性模量；Sc——混凝土截面积；η——单位长度的钢拱架等效榀量；Sg——截面积；Eg——弹性模量。

2.3 计算工况

在高速公路工程试验路段分别运用全断面开挖方式、台阶开挖方式进行隧道开挖，计算无支护开挖与有支护开挖这两种工况下的隧道围岩变形情况[6]。

2.4 隧道变形特征分析

隧道结构力学分析工具生成开挖作业统计数据，并以图形方式显示全断面无支护开挖、全断面有支护开挖、台阶无支护开挖、台阶有支护开挖四种工况下隧道围岩的垂直和水平变形。结合图1、图2对四种工况下的应变云图进行分析，发现四种工况下围岩变形不对称特征显著。

图1 各种计算工况下的隧道围岩纵向变形云图（单位：mm）

图2 各种计算工况下的隧道围岩横向变形云图（单位：mm）

（1）无支护开挖时隧道围岩变形大于有支护开挖，无支护状态下，相较于台阶开挖，采用全断面法开挖产生的变形更大；有支护状态下，相较于台阶开挖，采用全断面开挖法导致的围岩变形更小[7]。

（2）全断面无支护开挖导致的围岩变形最大，经实地测量可知此时隧道拱顶沉降49.4 mm，仰拱隆起48.9 mm，水平收敛22.7 mm，全断面有支护开挖导致的隧道围岩变形最小，经实地测量可知此时隧道拱顶沉降15.8 mm。仰拱隆起28.4 mm，置高度27.3 mm，水平收敛5.23 mm。

（3）开挖方式相同的情况下，支护措施对围岩变形的影响较大。经实地测量可知，无支护时，采用全断面法开挖隧道时，拱顶沉降大小为49.4 mm，有支护时，拱顶沉降大小为15.8 mm，无支护情况下水平收敛为22.7 mm，有支护情况下水平收敛为5.2 mm。经实地测量可知，采用台阶法开挖时，无支护情况下隧道拱顶沉降为45.6 mm，有支护情况下隧道拱顶沉降为18.3 mm。无支护情况下的水平收敛为21.4 mm，有支护情况下的水平收敛为6.3 mm。

（4）四种工况下围岩变形特征基本相同。变形较大的拱顶与仰拱的连线，垂直于岩石层理面，如图3所示；隧道拱顶沉降呈左大右小非对称分布，其中左侧拱腰上部水平位移最大。

图3 高速公路隧道围岩非对称变形特征

（5）层状岩体各个方向的异性，引发隧道变形不对称，软弱夹层容易在层状面上滑动，因此，必须采取支护措施控制不对称变形[8]。

3 隧道围岩支护方案改进

3.1 方案初选

隧道岩体开挖后，其中的软弱夹层受到的破坏更大，易出现滑坡。由于隧道左拱上部变形较大[9]，基于当前围岩支护方案进行优化，重点调整隧道左侧围岩锚杆长度、环距以及布局，初步选定的支护优化方案如图4所示，具体如下：

图4 支护方案

（1）将当前隧道左侧围岩锚杆长度从3.5 m增加到4 m。

（2）增加隧道左侧围岩地脚螺栓，将螺栓环间距从1 m降低至0.5 m。

（3）将锚杆垂直于生成平面布设在隧道左拱上方[10]。

3.2 不同支护方案下的隧道变形比较

不同支护方案下该高速公路隧道围岩位移大小见表2，隧道变形量见图5。

表2 不同支护方案下的隧道围岩位移 /mm

从表2数据可以发现，三种优化方案对应的隧道围岩位移均有不同程度的减少，其中仰拱隆起分别减少9.3%、16.4%、3.18%；隧道拱顶沉降分别减少5.7%、12.5%和2.6%；水平收敛分别减少6.2%、10.8%和3.3%，综上方案二效果最好，方案三效果最差。

如图5所示，不同支护方案下，上台阶开挖对隧道拱顶沉降、水平收敛变形均有显著影响，因此，上台阶开挖后需及时设置支护结构。综上，方案二下隧道围岩整体变体最小。方案三通过优化锚杆的方式控制变形，因此，方案三总体效果最佳。

图5 不同支护方案下隧道开挖变形量

4 结论

综上所述，四种工况下，隧道左拱的沉降大于右拱沉降，右拱仰拱隆起大于左拱仰拱隆起，无支护状态下对称变形特征更显著，拱顶、仰拱变形明显部位的连线与层理面垂直。通过优化隧道左侧拱顶锚杆长度、锚环距离可有效控制围岩变形，是一种节省成本、经济且可靠的支护加固方案。