西甘池隧洞围岩参数反演与支护优化

张顺峰

摘要：取西甘池隧洞HD12+570-HD12+770段建立FLAc3D模型，模拟隧洞分段开挖及支护，将围岩参数E、u、c、Ф进行正交设计并代入模型，计算洞顶沉降量与两壁水平收敛值，与所选断面实际监测数据对比，得出与实际变形最为接近的围岩参数组合，在后续断面变形监测值中进行验证，计算误差满足精度要求，表明反演所得Ⅲ类围岩参数庐0.77×10（4）MPa、u=0.29、c=13MPa、Ф=39°和Ⅳ类围岩的力学参数E=0.26×104MPA、U=0.33、c=0.5MPa、Ф=35°是可靠的。在此基础上，以锚杆排距为研究对象，对Ⅳ类围岩锚喷支护进行优化。结果表明，原锚杆支护设计方案偏于保守，锚杆排距可适当加大。

关键词：隧洞;力学参数;反演;支护优化

中图分类号：U452.1 文献标识码：A 文章编号：007-1903（2019）01-0090-07

0前言

长期以来，隧道围岩力学参数的确定一直是工程地质学者研究的重要课题。通过室内试验不能全面反映围岩的变形特征，现场试验由于耗时、耗资巨大，绝大多数工程还是达不到这个要求。而反分析方法的出现及对围岩变形观测技术的大力应用与推广，给我们带来了一条新的研究途径（蔡美峰，2003;何满潮，2006）。大量研究及实例表明，利用隧洞施工中实际观测的位移及应力变化，来反演围岩的实际物理力学参数，能够得到较为合理的岩土体参数，从而为隧洞施工、支护方案的优化及有关预测提供可靠的数据（徐建国，2008;贾超等，2003;孙钧，2010）。本文以南水北调中线应急供水工程（京石段）西甘池隧洞施工项目为例，用FLAC3D软件对隧洞开挖进行模拟，利用现场监测隧洞断面顶拱沉降和水平收敛位移反演围岩物理力学参数，得出与工程实际较为吻合的岩体参数。在此基础上，对隧洞的锚杆支护方案进行了优化，同时也为隧洞的二次衬砌及隧洞通水受到内水压力后的变形预测提供资料依据。

1计算模型的建立

1.1隧洞地质概况

隧洞所在区属低山丘陵区，地面形态呈低矮平缓的地形，最大高程96.45m，相对高差25m左右。隧洞轴线穿过两个岗岭，中间发育有近南北走向的溶蚀洼地，洼地宽约60m，沿洞线形成哑口地形，地面坡度4读-16°，总体地势西高东低。该区位于荞麦山穹隆之东南翼，属单斜岩层，倾角26°～29°，节理发育一般，断层不发育。隧洞起止桩号12+300～14+100，全长1800m。

根据现场勘查资料，区内主要分布的地层为薊县系雾迷山组第四段大理岩，其顶部多被第三系残积层覆盖，厚度较薄，可忽略不计。大理岩层中夹有滑石片岩透镜体，其矿物成份以鳞片状滑石为主，岩石软弱，用镐头即可刨动，在隧洞进口一带呈透镜体状分布，从隧洞进口至中部的哑口段，滑石片岩的分布呈逐渐减少之趋势。

按照《水利水电工程地质勘察规范》GB 50287-99对隧洞围岩进行工程地质分类，根据钻孔及隧洞围岩编录结果，本文所选区段岩性以大理岩为主，岩石坚硬较完整，层间夹有厚度不等的极软弱的滑石片岩。局部会产生塑性变形，围岩类别多为Ⅲ类和Ⅳ类（表1）。

1.2隧洞设计方案及模型建立

该隧洞长1800m，采用马蹄形型双洞方案，洞径6.0m，间距14m，二次衬砌后埋设直径为4m的PCCP管道。本文选取HD12+570～770段建立FLAC3D计算模型。整个模型包括159800个单元，169240个节点，在隧洞横断面方向（x方向）两端（x=-40，x=40）施加x方向约束，隧洞轴向方向（Y方向）施加两端（Y=0，Y=200）施加Y方向约束，隧洞底面（z=41）XYZ三方向均施加约束。由于隧洞埋深较浅，岩体中初始地应力场主要为自重应力场。

2参数设置

2.1锚喷支护参数

对于Ⅲ类围岩，初衬支护方案为锚喷支护，喷砼厚度100mm，锚杆上部270°范围12Ф20，L=2.0m，间距1.135m，排距1.0m;对于Ⅳ类围岩，喷砼厚度150mm，钢筋网Ф8（150×150ram），锚杆上部270°范围15Ф20，L=2.5m，间距1.027m，排距1.0m，（图1）。锚杆及混凝土相关参数取经验值（表2）。

2.2围岩参数正交设计

围岩参数的选取过程即为参数反演的过程，通过不断调整参数值，使模拟计算的顶拱沉降位移值逼近所选取断面实测的顶拱沉降值。根据实验给出的围岩物理力学参数，结合《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086—2001中建议的各类围岩力学参数值，首先确定Ⅲ、Ⅳ类围岩各个参数的取值范围（表3）。

正交设计就是利用正交表来合理安排试验，利用数理统计的原理科学地分析实验结果，处理多因素实验的科学方法。通过代表性很强的少数次实验，摸清各个因素对实验指标的影响情况，找出最优化参数组合（方开泰，2001;李云鹏等，2007）。现对Ⅲ类和Ⅳ类围岩参数分别进行正交设计，按照参数个数及取值范围，采用4因素6水平，模型试验次数为36种（表4、表5）。

3隧洞模拟开挖与调参

3.1模型内监测点设置

在模拟隧洞开挖前，应根据施工现场典型监测断面点来选取模型内的监测点。本模型中选取8个监测断面，其中右洞HD12+622和左洞HD12+582两断面的监测成果用于围岩力学参数的反演，其余监测点用于对该参数可靠性的分析。根据观测资料可知，两断面洞顶累计沉降量分别为3.96mm和3.88mm，两壁水平收敛位移均在0.7-1.1mm之间，水平收敛很小。所以反演主要以洞顶沉降量为准。

3.2模拟开挖及调参结果分析

开挖过程共分为7个阶段：

第一阶段：右洞进尺到HD12+602;

第二阶段：右洞进尺到HD12+630，左洞进尺到HD12+602;

第三阶段：右洞进尺到HDl2+670，左洞进尺到HD12+630;

第四阶段：右洞进尺到HD12+710，左洞进尺到HD12+670;

第五阶段：右洞进尺到HD12+750，左洞进尺到HD12+710;

第六阶段：右洞进尺到HD12+770，左洞进尺到HD12+750;

第七阶段：左洞进尺到HD12+770。

前三阶段用于参数的反演，将Ⅲ类、Ⅳ类围岩正交参数逐一代入到模型，计算所得两断面顶拱沉降量。

（1）Ⅲ类围岩调参计算结果分析

断面HDl2+622Ⅲ类围岩正交参数组合中11组在开挖到第三阶段计算顶拱沉降量为3.924mm，该断面实测值为3.96mm，误差0.92%。隧洞开挖后，由于应力的突然释放，顶拱瞬时会产生较大的沉降量，之后逐渐趋于平缓。从x方向云图可看出，两侧边墙、拱腰及底板兩侧下缘水平位移最大，约0.5ram左右，两壁水平收敛约1mm，变形较小，与实测值较符合（图2、表6）。

（2）Ⅳ类围岩调参计算结果分析

断面HDl2+582Ⅳ类围岩正交参数组合中24组在开挖到第三阶段计算顶拱沉降量为3.867mm，该断面实测值为3.90mm，误差0.85%（图3、表7）。

隧洞开挖后，应力突然释放，顶拱瞬时亦会产生较大的沉降量，从x方向云图可看出，两侧边墙、拱腰及底板两侧下缘水平位移最大，约0.55mm左右，其中右壁位移较左壁稍大，两壁水平收敛约1.08mm，变形较小，与实测值符合。根据以上分析，初步确定Ⅲ类围岩的力学参数分别为：E-0.77×104MPa、u=29、Φ=39°、C=13MPa;Ⅳ类围岩的力学参数分别为：E=0.26×104MPa、u=33、Φ=35°、C=0.5MPa。

3.3参数验证

将反演所得Ⅲ类和Ⅳ类围岩参数代入到模型，计算隧道围岩的顶拱沉降和水平收敛，按照施工步骤对隧洞进行开挖，当开挖到第七阶段后，通过对各监测点顶拱沉降曲线与x方向位移云图分析，将计算位移值与实测位移值相对比（表8）。

洞室开挖后，顶拱会产生较大的瞬时沉降，随着时步的推移，沉降速率减小，直到趋于平缓。洞室的下一步开挖会在一定程度上对已开挖洞室围岩应力分布产生影响，使上一步沉降趋于稳定的拱顶产生小的沉降速率增加，但随着掌子面的推移影响逐渐减小。x方向水平位移较大值主要发生在边墙、拱肩及底板下缘，左洞右侧拱腰处位移值最大，约0.63mm。

根据表8，模型内选取断面的模拟顶拱沉降值及水平收敛值与实测值的相对误差多在5%以内，其中Ⅲ类围岩模拟位移值与实测值误差相对较小，而Ⅳ类围岩模拟值与实测值误差较大。这主要是因为Ⅳ类围岩为薄一中厚层大理岩夹滑石片岩透镜体，滑石片岩强度低，风化程度高，它在洞室中的分布位置对围岩变形有较大影响。

经以上分析，模拟所得围岩变形与工程实际测量结果是较符合的，作为该区段围岩力学参数是可靠的。

4锚杆支护优化

根据模拟计算位移值及实测位移值，洞室Ⅲ类和Ⅳ类拱顶最大沉降量均在5mm以内，而按照设计拱顶最大沉降量不大于10mm的要求，洞室的支护设计在理论上还有优化的空间，使岩体最大限度地发挥自身的自稳能力。锚杆的优化可从锚杆的支护形式、锚杆长度、锚固方位角、锚杆直径以及锚杆的间排距这五方面来考虑（赵其华，2008;王巍，2006），本文以锚杆排距作为优化对象。按照隧洞设计要求，对于Ⅳ类围岩，喷砼厚度150mm，钢筋网Φ8（150×150mm），锚杆上部270。范围15Φ20，L=2.5m，间距1.027m，排距1.0m。以HDl2+650断面为例，在原支护方案下，该断面顶拱z方向最大位移值发生在右洞顶拱中心左侧及左洞顶拱中心右侧，约4.45mm;x方向最大位移值也发生在拱腰部位以及两侧墙壁、隧洞底角，约0.52mm;洞室最大主应力和最小主应力都表现为压应力，最大值为1.9MPa，底板基本上表现为拉应力，最大为0.1MPa。优化方案分别选用锚杆排间距为1.2m和1.5m进行计算，结果如下。

（1）锚杆排距为1.2m

在锚杆排距为1.2m的条件下，HDl2+650断面z和x方向位移，最大主应力和最小主应力见图4、图5。

从图4、图5可看出，当锚杆间距为1.2m时，拱顶沉降及侧壁x方向位移均有所增大，其中拱顶最大沉降量约5.26mm，较原支护条件下增加了0.81mm。x方向最大位移值出现在左洞右侧拱腰，约0.7mm，较原支护条件下增加了0.18mm。洞室周边最大主应力和最小主应力基本表现为压应力，其中最大压应力为2.7MPa，两侧壁应力集中程度最高。拉应力仅出现在底板上，最大值为0.17 MPa。洞室基本稳定。

（2）锚杆排距为1.5m

在锚杆排距为1.5m的条件下，HDl2+650断面z和x方向位移，最大主应力和最小主应力见图6、图7所示。

从图6、图7可看出，当锚杆间距为1.5m时，洞室拱顶最大沉降量增大到6.30mm，x方向位移主要发生在拱肩、拱腰及底板两侧，最大值为1.19mm。洞室周边最大主应力在拱顶及拱腰处出现拉应力，最大值为0.15MPa。最小主应力在两侧壁表现为压应力，最大值约1.79MPa，拱顶处最小主应力基本为零或变现出很小的压应力。根据洞室围岩稳定性判定方法，拱顶及拱腰处围岩处拉应力大于围岩极限抗压强度与安全系数的比值，洞室稳定性较差。

经过以上两个对锚杆优化方案的比较，当锚杆间距为1.2m时，基本满足洞室稳定性的要求，在理论上时可行的。当锚杆间距为1.5m时，洞室顶拱及拱腰出现拉应力，由于隧洞围岩为薄层大理岩夹滑石片岩透镜体，岩体抗拉强度较小，故最佳的支护设计应使隧洞拱肩以上不出现拉应力。所以当锚杆间距为1.5m时不满足洞室稳定性的要求。

以上对锚杆优化方案的探讨，说明隧洞锚杆支护在理论上有一定的优化空间。可为工程节约大量人力、物力和财力。

5结论

（2）通过对Ⅳ类围岩的锚喷支护优化分析，当锚杆排距为1.2m时，拱顶沉降与侧壁水平收敛可满足洞室稳定要求。可为工程节约大量成本。