岩溶隧道洞口段超前支护数值模拟

钟剑， 傅鹤林， 唐超

(1.湖南路桥建设集团有限责任公司， 湖南 长沙 410004；2.中南大学， 湖南 长沙 410075)

1 工程概况

重庆内环快速路南半环巴南区境内吉庆隧道位于老王冲倒转背斜的西北翼，主要岩性为泥盆系上统和石炭系下统的泥质灰岩、混灰岩夹灰岩、页岩及砂岩。隧道埋深6 m，围岩Ⅴ级，上覆3 m厚土层，围岩与土层的物理力学参数见表1。采用三台阶法进洞，支护方法及参数见表2。

表1 围岩与土层的物理力学参数

表2 支护方法及参数

2 隧道洞口模型的建立

2.1 模型构建

根据现场实际地质情况，分析范围取长×宽×高=40 m×70 m×40 m。采用Mohr-coulomb理想弹塑性模型，超前管棚采用Beam单元，钢拱架+网喷初期支护采用Shell单元。

2.2 计算参数选取

结合该隧道地质资料，参照《公路隧道设计规范》，确定围岩及材料参数(见表1、表2)。

2.3 计算边界与初始应力场

边界条件：地表为自由边界，模型左、右、前、后及底部施加法向约束。

初始应力场条件：取自重应力场，围岩泊松比取0.33，水平应力与垂直应力的关系为σzz=σxx=2σyy。

2.4 进洞开挖与支护的模拟

进洞施工模拟工序为注浆预加固→设置30 m长管棚预支护→开挖上台阶5 m→中台阶、下台阶开挖，各相差5 m→施作初期支护。以此循环，直至开挖完成。

模型建立中，对于位移，x向为水平方向，y向为竖向，且以重力方向为负向，z轴负向为隧道开挖方向。

3 数值模拟分析

采用上述模型，对管棚+预注浆超前支护、管棚支护、预注浆及无任何支护作用下隧道洞口的力学效应进行对比分析。

3.1 模拟结果

3.1.1 预注浆+超前管棚支护的模拟

对隧道洞口采用预注浆+管棚超前支护时，上台阶开挖竖向应力及位移见图1。由图1可知：整个开挖过程中围岩应力对称分布，随着台阶的推进，掌子面因卸载产生低应力区，拱脚则形成高应力区，与开挖前相比，应力提高100%；最大沉降均出现在拱顶，地表沉降对称，且离地表中线越近，沉降越大，隧道顶部地表沉降为4～6 mm。

图1 预注浆+管棚支护时上台阶开挖y向应力及位移(单位：m)

3.1.2 预注浆加固的模拟

对隧道洞口地表仅进行预注浆支护时，上台阶开挖竖向应力及位移见图2。由图2可知：纵横向应力相对隧道轴线对称，随着开挖的推进，出现局部应力集中(拱脚与拱顶部位)，但未出现拉应力，横向应力最大值在0.4 MPa左右，竖向应力最大值在1.0 MPa左右；拱顶位移和地表沉降呈对称分布，地表沉降最大值为11.3 mm。

图2 预注浆支护时上台阶开挖y向应力及位移(单位：m)

3.1.3 管棚超前支护的模拟

进洞仅采用管棚超前支护时，上台阶开挖竖向应力及位移见图3。由图3可知：采用管棚超前支护时，上台阶开挖时竖向应力和位移呈对称分布。随着开挖的推进，水平位移与纵向位移在拱顶、拱脚及仰拱处变化较大，地表沉降范围逐步增大，开挖完成后最大竖向位移为10 mm左右，水平位移为2.4 mm左右，上部地表沉降为6～8 mm。

图3 管棚超前支护时上台阶开挖y向应力及位移(单位：m)

3.2 对比分析

为对比各种支护方法的效果，设置图4所示5条变形监测线L1～L5[其中L1为地表沉降监测线(横)，L2为地表沉降监测线(纵)，L3为拱顶变形监测线，L4为拱底变形监测线，L5为侧壁变形监测线]，每掘进5 m记录各监测线的位移分布，结果见图5～9。

图4 变形监测线的布置

由图6可知：随着隧道开挖台阶的推进，地表沉降不断增加，最后趋于稳定；采用预注浆+管棚、管棚、预注浆3种不同超前支护方式，尽管地表沉降值不同，但变形规律基本一致。

图5 监测线L1地表沉降的变化

由图7可知：随着隧道开挖台阶的推进，拱顶沉降呈增大趋势，拱顶沉降随着掌子面的推进而变化，最终趋于稳定。

图6 监测线L2隧道拱顶沉降的变化

由图8可知：随着台阶的开挖，仰拱部位逐步隆起，最终趋于稳定。

由图9可知：超前支护措施对监测线L5隧道左侧拱腰收敛值的影响并不大，最终达到稳定。

预注浆+管棚、管棚、预注浆和不采用任何支护方式下隧道沉降变形对比见表3。

图7 监测线L3隧道拱顶沉降的变化

图8 监测线L4隧道拱底隆起的变化

图9 监测线L5隧道左侧拱腰收敛值的变化

监测线监测项目预注浆+管棚管棚预注浆不采用任何支护L1地表沉降/mm4.05.57.015.5L2地表沉降效果良好效果一般效果一般沉降较严重L3拱顶沉降控制较好控制一般控制较差沉降严重L4仰拱隆起/mm8101225L5拱底沉降/mm0.61.32.56.0

4 结论

(1) 采取预支护措施可控制地表沉降，对于破碎围岩、浅埋地段隧道进洞，为确保进洞安全，采取预支护措施很有必要。

(2) 就控制拱顶沉降而言，几种支护方式的效果为预注浆+管棚支护>管棚支护>预注浆支护；就仰拱隆起面和隧道侧壁收敛控制而言，预注浆+管棚支护、管棚支护、预注浆支护的效果相当；就控制隧道围岩应力、位移而言，预注浆+管棚支护的效果最好，管棚支护、预注浆的效果相当。