微风化岩体山区公路隧道围岩支护研究

罗昌宏

(湖北交投鄂西高速公路建设管理有限公司，湖北 恩施 445000)

随着我国基础设施的不断完善，隧道工程建设规模不断增大，所面临的地质、环境情况也越来越复杂，在隧道施工过程中，围岩变形情况与施工安全性及隧道稳定性密切相关，因此围岩变形因素与控制方法一直是国内外研究人员的关注重点。

其中杜文通过对实际工程中隧道平缓泥沙岩互层围岩变形对支护的破坏现象进行研究，分析了平缓砂泥岩互层围岩变形机理，得出了造成围岩变形的三个因素，即岩层分布状态、空间因素和时间因素；沙鹏等针对特殊的非线性大变形破坏现象，将现场实测、模型试验以及数值模拟结果进行了综合分析，研究了层片状围岩的结构大变形的破坏机制，并提出了相应的支护措施；李干依托实际隧道工程，对其工程特性和变形机理进行分析，研究了高预紧力恒阻锚索在深埋薄层板岩隧道中对围岩的控制机理，并提出了非对称高预紧力恒阻锚索支护策略；王云龙通过详细研究板岩的工程性质来探究板岩隧道施工中工程问题的发生机理，进而对隧道的支护参数及施工方法进行详细优化；刘平等实际隧道为研究背景，结合数值模拟对比研究，对不同因素对围岩变形破坏机制的影响规律及各因素影响敏感程度进行研究，并给出了相应工程建议措施。周黎采用多种研究方法对施工期隧道围岩的时效变形及变形影响因素进行了较系统和深入的研究；卜明慧以实际隧道工程为研究对象，对隧道围岩结构变形的相关因素进行了分析与研究；周凯分析了不同施工方案下的隧道断层处断面围岩变形、应力释放和塑性区分布情况，分析了断层断面围岩的稳定性；Jeon，Ji研究了隧道开挖过程中隧道围岩损伤的影响因素；朱浩波等利用数值模拟的方法，随围岩变形随支护结构施作时机、支护结构厚度、围岩弹性模量和隧道埋深四种因素的变化规律进行了系统分析。李伟平从国内施工情况与存在问题入手，对引起隧道大变形的原因进行分析，并总结出控制隧道大变形的两大关键点，即选择合适的施工方法和采取有效控制措施；朱炯等针对运营期公路隧道常见软弱围岩和、浅埋偏压两种情况分别建立计算模型，研究了结构折减系数与结构状态的相互关系，并通过衬砌结构的极限应变分布规律研究结构安全状态，对运营期公路隧道结构失稳破坏模式进行分析。

综上所述，国内外许多专家针对围岩变形问题进行了大量研究工作，但仍需深入研究。因此，本文利用数值模拟方法，研究了围岩变形与喷射混凝土厚度喷射混凝土强度之间的关系。

1 工程概况

分水岭隧道隧址区横跨宣恩县及鹤峰县之间的分水岭林场附近，为双向四车道高速公路隧道，隧道设计速度为80 km/h。根据地质调绘及钻探揭露，隧址区出露(揭露)岩体主要为石炭系黄龙组(Chn)砂岩；泥盆系中上统(D)泥岩、砂岩、石英砂岩、灰岩、泥灰岩等；志留系上统纱帽组(Ss)薄～中厚层层状砂岩，岩层呈整合接触。隧址区地下水不发育，地下水主要为基岩裂隙水，地下水沿裂隙网络排入地下。

2 数值模型构建及参数选定

本模型采用PLAXIS 3D有限元软件对分水岭隧道某典型区段进行模拟分析，为尽量避免边界效应影响，建模尺寸选取为80 m×90 m×60 m(××)，为水平方向，为隧道轴线方向，为竖直方向。开挖时从=0界面沿轴正向开挖。数值模型如图1所示。

图1 数值计算模型

模型地层自上至下依次为微风化灰岩、微风化泥灰岩、微风化泥岩、微风化砂岩和微风化泥灰岩，各地层材料采用Mohr-Coulomb本构模型进行模拟，衬砌及锚杆材料采用线弹性模型进行模拟，具体物理力学参数如表1所示。

表1 地层和材料参数

3 计算工况及结果分析

为分析不同支护参数对隧道围岩变形的影响，计算工况设计如表2所示。

表2 计算工况设计

表2(续)

3.1 不同喷射混凝土厚度对隧道围岩变形的影响

为分析喷射混凝土厚度变化对围岩变形的影响，依据表2中所设计的工况进行模拟计算，计算结果如图2、图形所示。

图2 拱顶沉降值

从图2中可以看出，隧道围岩拱顶沉降值与喷射混凝土厚度呈反比，随着喷射混凝土厚度的增加，隧道围岩拱顶沉降值逐渐减小。在喷射混凝土强度固定时，喷射混凝土厚度由0.3 m增加至0.4 m，隧道拱顶沉降值减少了约3.5 mm；喷射混凝土厚度由0.4 m增加至0.5 m，隧道拱顶沉降值减少了约4 mm。增加喷射混凝土厚度对降低拱顶沉降效果较为明显。

图3 拱底回弹值

从图3中可以看出，隧道围岩拱底回弹值与喷射混凝土厚度呈反比，随着喷射混凝土厚度的增加，隧道围岩拱底回弹值逐渐减小。在喷射混凝土厚度固定时，喷射混凝土厚度由0.3 m增加至0.4 m，隧道拱底回弹值减少了约0.5 mm；喷射混凝土厚度由0.4 m增加至0.5 m，隧道拱顶隆起值减少了约1.5 mm。增加喷射混凝土厚度对降低拱底回弹值效果不明显。

3.2 不同喷射混凝土强度对隧道围岩变形的影响

为分析喷射混凝土强度变化对围岩变形的影响，依据表2中所设计的工况进行模拟计算，计算结果如图4、图5所示。

图4 拱顶沉降值

从图4中可以看出，隧道围岩拱顶沉降值与喷射混凝土强度呈反比，随着喷射混凝土强度的增加，隧道围岩拱顶沉降值逐渐减小。在喷射混凝土厚度固定时，喷射混凝土强度由20 GPa增加至30 GPa，隧道拱顶沉降值减少了约9 mm；喷射混凝土强度由30 GPa增加至40 GPa，隧道拱顶沉降值减少了约5.3 mm。增加喷射混凝土厚度对降低拱顶沉降效果明显。

图5 拱底回弹值

从图5中可以看出，隧道围岩拱底回弹值与喷射混凝土强度呈反比，随着喷射混凝土强度的增加，隧道围岩拱底回弹值逐渐减小。在喷射混凝土厚度固定时，喷射混凝土强度由20 GPa增加至30 GPa，隧道拱底回弹值减少了约2 mm；喷射混凝土厚度由30 GPa增加至40 GPa，隧道拱底回弹值减少了约1.5 mm。增加喷射混凝土厚度对降低拱底回弹值效果不明显。

4 结 论

(1)在隧道围岩喷射混凝土强度一定时，隧道喷射混凝土厚度与隧道围岩拱顶沉降值和拱底回弹值均成反比，增加喷射混凝土厚度对降低拱顶沉降效果较为明显，对降低拱底回弹效果不明显。

(2)在隧道围岩喷射混凝土厚度一定时，隧道喷射混凝土强度与隧道围岩拱顶沉降值和拱底回弹值均成反比，增加喷射混凝土厚度对降低拱顶沉降效果明显，对降低拱底回弹值效果不明显。

(3)在隧道开挖过程中，提高围岩喷射混凝土强度与厚度对于改善隧道拱顶的沉降问题有较好效果，但对于改善隧道拱底回弹效果一般。