软弱围岩隧道初期支护结构受力与变形特性分析

软弱围岩隧道初期支护结构受力与变形特性分析

林峰

杭州铁路设计院有限责任公司浙江杭州310006

摘要：软弱围岩由于强度低、稳定性差、变形持续时间长等特点，在隧道施工中常引起大变形、崩塌等破坏现象，导致初期支护结构强烈变形甚至破坏，严重影响隧道施工和安全。以丘陵区某公路隧道为研究背景，利用有限元数值分析方法，模拟该软弱围岩隧道台阶法施工过程，得到初期支护后围岩与支护结构的受力和变形特征。研究结果表明：初期支护应适当扩大拱顶附近锚杆加固区范围，以增加围岩的安全储备。此外，边墙与仰拱衔接处容易出现应力集中现象，应尽快施作仰拱，并在施工中加强现场监测。研究可对日后类似的工程提供借鉴和参考。

关键词：软弱围岩；初期支护；围岩特性；台阶法

1引言

软弱围岩由于强度低、稳定性差、变形持续时间长等特点，在隧道施工中常引起大变形、崩塌等破坏现象，导致初期支护结构强烈变形甚至破坏，严重影响隧道施工和安全[1]。初期支护结构的可靠性受到多种不确定因素的影响，围岩材料参数的不确定性是导致不能有效判断隧道预设计初期支护的结构形式是否正确合理的主要原因[2]。本文以丘陵区某公路隧道为工程实例，由于Ⅳ级围岩属于破碎结构，易松动，因此不宜采用全断面法施工[3]，只对台阶法开挖进行数值模拟，研究软弱围岩隧道施工中初期支护结构的可靠性。

2研究背景

2.1工程概况

某公路隧道位于丘陵区，山顶海拔一般为200m～300m，相对高程为30~60m。该隧道属双车道单洞隧道，起讫里程K241+510~K242+710，全长1200m。工程勘察资料结果显示，隧道洞身穿越段为剥蚀丘陵区，丘顶多呈马鞍状，山体沿山脊两侧基本对称，地面坡度为20~30度。隧址区上覆土层为第四系破残积粘土，下伏基岩为印支期花岗闪长岩。隧道所经地段Ⅲ级围岩为140m，Ⅳ级围岩为1060m，围岩类别比较单一。Ⅲ级围岩埋深25~50m，Ⅳ级围岩埋深10~25m。

2.2施工概况

采用上下台阶法对隧道围岩分步开挖，Ⅳ级围岩衬砌破碎带以超前锚杆预支护作为辅助施工措施。初期支护紧跟掌子面施作，特别是泥岩段，严格控制施工用水对泥岩的破坏作用，爆破后应立即对泥岩进行初喷、挂钢筋网、打设锚杆，分2～3次喷射混凝土达到设计要求，并覆盖锚杆露头和全部钢筋。

按新奥法原理对隧道支护结构进行设计，采用曲墙加仰拱复合式衬砌结构型式。初期支护以湿喷混凝土+钢拱架和钢筋网+锚杆等为主要手段，按梅花桩型布置锚杆，并局部辅以注浆小导管、钢拱架支撑等辅助措施进行支护，充分调动围岩的自承能力。该隧道各级围岩复合式衬砌的初期支护参数见表1。

表1复合式衬砌初期支护参数

注：除直径以毫米计外，其余均以厘米计。

3隧道初期支护的有限元分析

3.1基本假设

①岩体为理想弹塑性介质；②岩体为各向同性均匀介质；③不考虑岩体变形的时间效应和地下水的影响；④采用自重应力场为围岩的初始应力场；⑤隧道及围岩的受力和变形是平面应变问题。

3.2计算范围和边界条件

根据圣维南原理，隧道开挖后的内力和变形，仅在隧道周围距洞室中心点3~5倍开挖宽度的范围内产生影响。因此，在计算时横向区域取为100m，竖向区域取为70m，即左右两侧计算边界为4倍左右的隧道总跨度，上下部边界均取为3倍的隧道总高度。模拟该隧道时，采用位移边界条件，顶面取为自由边界；左右两侧边界约束其水平方向自由度；底面边界约束其竖向自由度。

3.3计算参数的确定

在建模分析时，混凝土和围岩这两种不同性质的材料是共同工作的，作为骨架结构的初期支护，采用梁单元的力学模型与采用实体单元的围岩连续体力学模型结合在一起进行分析。对于钢拱架和钢筋网的支护作用采用等效方法计算[4]，即将钢拱架和钢筋网的弹性模量折算给喷射混凝土，其计算方法为EC=E0+（AS•ES）/AC（1）

式中：EC为折算后喷射混凝土的弹性模量；E0为原喷射混凝土弹性模量；AS为钢拱架截面积，ES为钢材弹性模量，AC为喷射混凝土面积。

隧道施工过程的仿真分析中，初期支护喷射混凝土和锚杆的共同作用支护参数根据设计资料和相应规范[5]拟定，其值如表2所列。

表2材料物理力学参数

3.4有限元模型的建立

由于隧道纵向尺寸很大，故采用弹塑性平面应变模型，岩土体的非线性本构关系选用Drucker—Prager屈服准则。围岩采用平面4节点实体单元模拟，仰拱和喷射混凝土采用2节点梁单元模拟，锚杆采用2节点杆单元模拟，有限元模型及边界约束条件见图1。

图1有限元网格划分模型

采用有限元软件模拟隧道围岩的台阶法开挖以及初期支护的施工过程，荷载释放系数取0.6[6]。分为五个施工步依次进行：自重应力作用下对围岩进行变形和内力计算；荷载释放率取60%进行上台阶开挖；荷载释放率取40%进行上台阶支护；荷载释放率取60%进行下台阶开挖；荷载释放率取40%进行下台阶支护。

4初期支护计算结果分析

结合有限元计算结果，本文主要从锚杆长度和间距、喷射混凝土厚度和围岩稳定性三个方面对初期支护参数进行分析评价。

4.1锚杆的长度和间距

锚杆轴力（单位：N）锚杆应力（单位：Pa）

图2锚杆内力图

锚杆的主要作用是从内部强化围岩，控制结构面的张开和滑动，促使围岩形成承载结构，从而控制围岩的结构变形和失稳。由图2的锚杆内力可看出，锚杆的近端轴力大，远端轴力小，而且拱顶的轴力比其他位置要大，最大轴力为43.08kN，对应的拉应力为87.8MPa，而锚杆的抗拉强度设计值为310MPa，满足要求。

本次设计中，采用的是组合注浆型锚杆，长度为3m，间距为1m。从前面的分析可以看出，采用间距为1m的3m长锚杆对土体进行加固后，施工中围岩是稳定的，初期喷射混凝土也满足要求，说明锚杆的设计是合理的，可以满足要求。

4.2喷射混凝土厚度

初期支护完成后，喷射混凝土的内力极值一般出现在隧道洞周，因此沿隧道洞周取关键位置的内力值进行分析。关键位置分别指拱顶、拱肩、拱腰、拱脚和拱底等位置。

表3喷射混凝土关键位置内力

由表3的喷射混凝土内力可以看出，其受力特征为：弯矩和剪力的最大值发生在拱脚处；轴力最大值发生在拱肩上。尤其是弯矩和剪力，其量值在拱架处比其他位置要大的多，说明拱脚处出现了应力集中现象，曲线过渡不够圆滑，故隧道断面形状设计应在仰拱和拱部之间再采用一段圆弧连接，设计成多心圆结构。

计算结果中最大弯矩24.92kN•m、最大压力1106.75kN、最大剪力45.23kN，为了便于建模和计算，把钢筋网和钢拱架的弹性模量折算给混凝土，保持混凝土的厚度不变。结合材料力学的应力计算公式，可以求出喷射混凝土的最大压应力为4.5MPa，最大拉应力为0.05MPa，根据《公路隧道设计规范》，C25喷射混凝土弯曲抗压强度设计值为12.5MPa，抗拉强度设计值为1.3MPa，因此单从喷射混凝土的内力情况分析，其厚度是满足要求的。

4.3围岩稳定性

在隧道开挖并进行初期支护后，沿隧道洞周取关键位置的位移和应力值分析。各关键位置的位移和应力值见表4。

表4围岩洞周关键位置的位移和应力

位置水平位移/mm竖直位移/mm最大主应力/MPa最小主应力/MPa

拱顶0-10.360.01-0.25

拱肩0.21-9.65-0.07-0.57

拱腰0.29-8.64-0.13-1.1

拱脚0.10-7.67-0.08-1.8

拱底0-5.730.006-0.11

（1）围岩位移

台阶开挖水平位移台阶开挖竖直位移

图3台阶开挖位移云图（单位：m）

由表4可知，台阶法开挖后，拱肩和拱腰处，分别产生0.21mm和0.29mm的水平方向位移，而拱脚处的水平位移为0.10mm，洞顶和拱底则不产生水平位移。说明拱肩、拱腰处的水平位移明显大于其他位置的量值，因此，水平位移的控制点应设置在拱肩至拱腰处。

此外，从位移云图可看出台阶开挖时，拱顶附近会产生较大范围的向隧洞洞中心移动的趋势，开挖前拱顶竖向位移在重力作用下为8.687mm，拱底竖向位移为7.56mm，开挖后产生应力重分布，拱顶竖向位移为10.364mm，相对下降1.677mm，拱底竖向位移为5.73mm，相对上升1.83mm，拱顶最终沉降量为10.364mm，拱顶下沉现象和拱底底鼓现象不明显。说明，台阶法开挖后，在初期支护作用下隧洞上覆岩土体有压力拱的形成，围岩压力得到了较好的释放。

（2）围岩应力

台阶开挖最大主应力台阶开挖最小主应力

图4台阶开挖应力云图（单位：MPa）

由表4可知，台阶开挖完成后，围岩基本处于受压状态，最大主拉应力出现在拱顶，仅为0.01MPa，最大主压应力出现在拱脚，为1.8MPa，最大等效应力也出现在拱脚，达1.54MPa，围岩各点的压应力和拉应力均远小于C25喷射混凝土的轴心抗压强度和抗拉强度设计值。

竖向拱顶和竖向拱底产生了拉应力集中现象，说明了拱顶的下沉和拱底的底鼓现象。拱顶拉应力区处于围岩加固范围内，说明采用的锚杆长度和间距是合理的，为了提高围岩的安全储备，建议适当加长拱顶附近的锚杆长度，适当减少其他加固范围内的锚杆长度以降低工程造价。从位移和应力分析可知，施工中围岩位移呈左右对称分布，且拱顶位移呈漏斗状分布；围岩应力自重条件下呈水平分布，施工中呈左右对称分布。围岩位移，围岩应力均符合设计要求，即初期支护措施后，围岩是稳定的。

5结论

（1）从上述分析结果可知，设计中采用的锚杆的长度和间距、喷射混凝土的厚度是满足要求的，即本工程设计中的隧道初期支护参数是安全的。由于拉应力集中现象在拱顶附近比较明显，设计中可以适当扩大拱顶附近锚杆加固区范围，以增加结构的安全储备。

（2）台阶开挖后，水平位移以拱肩至拱腰处最大，应将其作为控制位置；竖向位移应以拱顶和拱底为控制点，其中拱底底鼓现象较明显，应在施工中尽快施作仰拱，使初期支护结构尽快地形成承载环，增加软弱围岩地段土体的稳定性。

（3）初期支护完成后，仰拱与边墙、拱与边墙衔接处较容易产生应力集中现象，为了二次衬砌的良好受力，隧道设计断面宜采用多心圆结构，另外，工程人员应这些关键位置引起重视，加强在施工中的现场监测。

参考文献：

[1]赵勇，刘建友，田四明．深埋隧道软弱围岩支护体系受力特征的试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2011，30（8）：1663-1670.

[2]高永.深埋隧道初期支护可靠度研究[D]．重庆大学，2006.05．

[3]周爱国，唐朝晖，方勇刚．隧道工程现场施工技术[M]．人民交通出版杜，2004：4．

[4]王显春等．软岩浅埋隧道施工对地表及围岩变形的影响分析[J]．隧道建设，2006（1）：21-24．

[5]中华人民共和国行业标准．JTGD70-2004公路隧道设计规范[s]．北京：人民交通出版社，2004．

[6]李之达，刘劲勇，易辉，蔡佳骏．锚喷支护对隧道围岩的稳定性分析[J]．湘潭大学自然科学学报．2005（3）：47—49．