地应力对主动承载层承载系数选择的影响

□汪宏兵 梅树强 王 坚

（浙江省隧道工程集团有限公司）

1 引 言

地应力不仅是复杂地质构造产生的原因，同时也对隧洞、巷道等施工过程中围岩稳定性产生重要的影响，尤其是软岩、深埋等地质条件下，由于围岩力学性质弱以及地应力高，往往会导致围岩产生较大的变形破坏，带来较大的经济损失和安全隐患，因此许多学者围绕地应力进行了大量研究。郭小龙，谭忠盛，李磊，等对比分析高应力软岩条件下，早强锚杆与普通锚杆作用特征分析，得出早强锚杆较普通锚杆有更强的锚杆轴力，提高了围岩分布均匀程度，进一步抑制了层状岩层破坏，对高应力软岩起到了很好的控制效果。李微对地应力成因、规律以及不同的地应力下隧道断面变形差异进行分析，指出深部隧道的支护应着重于阻止围岩流变造成隧道断面不断缩小；刘立民，张进鹏分析了普通U型钢可缩性支架与所设计封闭型U型钢可缩性支架特点及其在不同地应力条件下位移等变化，得出封闭型U 型钢可缩性支架较普通U 型钢可缩性支架支撑效果较优；针对高应力围岩大变形问题，黄宝田，陈东印提出高强让压锚杆支护方案，结果表明支护效果佳且节省了成本；李为腾，李术才，玄超，等通过对高应力软岩变形破坏特征以及支护失效机理的研究，提出方形钢管约束混凝土拱架支护，起到较好的围岩控制效果；寿宝平，任禹分析不同支护强度下深部高应力巷道围岩应力、位移分布特征，得出高地应力巷道围岩变形属于给定变形，支护体应要满足做够支护强度以及适应大变形的要求；秦忠诚，秦琼杰，陈文龙，等通过对让压技术机理分析，在工程中进行现场试验，得出让压支护技术大大减少了锚杆在高应力条件下的拉断失效，有效地控制了巷道围岩变形。

为研究甘肃省引洮供水二期工程主体工程施工第7 标段1#片麻岩隧洞不同地应力条件下，锚杆支护构建主动承载层承载系数的适配，文章采用数值模拟软件FLAC3D，以侧压系数模拟地应力，分析不同侧压系数所适配的主动承载层承载系数。

2 主动承载层及其承载系数概述

甘肃省引洮供水二期工程主体工程施工第7 标段1#隧洞在施工片麻岩地段时，如图1 隧洞开挖后围岩分层所示，由于片麻岩自身具有的裂隙发育，自稳能力弱，完整性差的特征，又经过经过地应力及地下水的相互作用下，隧洞围岩表面会形成一层破碎区，区域内承载能力差，裂隙发育程度高，松散破碎，无法形成稳定的承载结构；随着裂隙向深部转移，其发育程度逐渐降低，围岩整体性相对较好，岩层结构破坏不多，有一定的承载能力；深部原岩区受掘进影响不大，围岩结构与原岩几乎一致，承载能力高，完整性好。

采用锚杆支护则可以有利于破碎区形成稳定的承载结构，从而维持围岩的稳定。如图2支护后围岩分层所示，锚杆支护通过锚杆和锚固区域的岩体相互作用形成统一的承载结构，提高了承载结构力学参数与性能，减小隧洞周围破碎区、塑性区的范围和隧洞的表面位移，控制围岩破碎区、塑形区的发展、从而有利于保持隧洞围岩的稳定，当其预紧力达到一定程度时，能在围岩中形成主动承载层，约束深部岩体的位移和破裂，提高锚固岩层的残余承载能力，有效地控制围岩的变形。为了更为精确划分主动承载层的承载能力，引用承载系数即主动承载层内应力与原岩应力的百分比来量化主动承载层的承载能力，其中高承载系数主动承载层的承载系数范围为≥25%，中等承载系数主动承载层的承载系数范围为18%～25%，低承载系数主动承载层的承载系数范围为≤18%。考虑到地应力对于围岩承载结构的重要影响，基于以上概述分析不同地应力条件下，片麻岩构建主动承载所适配的承载系数。

图1 隧洞开挖后围岩分层图

图2 支护后围岩分层图

3 不同地应力条件下主动承载层承载系数选择

为了研究不同等级主动承载层对各种地应力条件的适应性，以数值模拟软件构FLAC3D建数值计算模型，模型总厚度20 m。模型两侧边界及前后边界均施加水平位移约束，底部边界施加垂直位移约束，上部边界施加均布载荷，模型中设定隧洞埋深为100 m，通过改变侧压系数来模拟不同的地应力条件，侧压系数分别取1.0、1.5、2.0。片麻岩力学参数见表1。

表1 片麻岩力学参数表

3.1 侧压系数1.0应力条件

侧压系数1.0应力条件下，模拟不同承载系数下主动承载层厚度与应力变化，得到图3侧压系数1.50地应力时不同承载系数下主动承载层应力云图，由图可知：在侧压系数为1.00的低地应力条件下，三种承载系数的主动承载层都能够产生在一定范围内产生连续有效的压应力区域维护隧洞围岩的稳定性。高承载系数主动承载层的厚度为2.20 m，最大压应力为3.30 MPa；中等承载系数主动承载层的厚度为2.00 m，最大压应力为2.60 MPa；低承载系数主动承载层的厚度为2.00 m，最大压应力为2.40 MPa。在这种低地应力条件下，高承载系数主动承载层的厚度和压应力等级最高，随着主动承载层承载系数的降低主动承载层的厚度和压应力等级有一定下降，但下降的程度不大，因此这三个承载系数的主动承载层均可运用于侧压系数为1.0低地应力条件。综合考虑到施工进度，经济效益等问题，建议在侧压系数为1.0低地应力条件下使用低承载系数主动承载层用于维护片麻岩隧洞的围岩稳定。

图3 侧压系数1.0应力时不同承载系数下主动承载层应力云图

3.2 侧压系数1.5应力条件

侧压系数1.5应力条件下，模拟不同承载系数下主动承载层厚度与应力变化，得到图4 侧压系数1.5 应力时不同承载系数下主动承载层应力云图，由图可知：在侧压系数为1.5中地应力条件下，高承载系数和中等承载系数的主动承载层能够产生在一定范围内产生连续有效的压应力区域维护隧洞围岩的稳定性。高承载系数主动承载层的厚度为2.00 m，最大压应力为3.00 MPa；中等承载系数主动承载层的厚度为1.80 m，最大压应力为2.40 MPa。在这种中地应力条件下，高承载系数主动承载层的厚度和压应力等级最高，随着主动承载层等级的降低主动承载层的厚度和压应力等级有一定下降，下降至低承载系数时无法形成主动承载层，因此这三个承载系数的主动承载层只有高承载系数和中等承载系数的主动承载层可运用于侧压系数为1.5的中地应力条件。综合考虑到施工进度，经济效益等问题，建议在侧压系数为1.5的中地应力条件下使用中等承载系数主动承载层用于维护片麻岩隧洞的围岩稳定。

图4 侧压系数1.5地应力时不同承载系数下主动承载层应力云图

3.3 侧压系数2.0地应力条件

侧压系数2.0地应力条件下，模拟不同承载系数下主动承载层厚度与应力变化，得到图5 侧压系数2.0 地应力时不同承载系数下主动承载层应力云图，由图可知：在侧压系数为2.0的高地应力条件下，高承载系数的主动承载层能够产生在一定范围内产生连续有效的压应力区域维护隧洞围岩的稳定性。高承载系数主动承载层的厚度为2.00 m，最大压应力为2.80 MPa。在这种中地应力条件下，高承载系数主动承载层的厚度和压应力等级最高，随着主动承载层等级的降低主动承载层的厚度和压应力等级有一定下降，下降至中等承载系数时无法形成主动承载层，而且在中等承载系数和低等承载系数支护方法中，锚杆间出现应力降低区，难以保证隧洞围岩的稳定。因此这三个承载系数的主动承载层只有高承载系数主动承载层可运用于侧压系数为2.0的高地应力条件。综上，建议在侧压系数为2.0的高地应力条件下使用高承载系数主动承载层用于维护片麻岩隧洞的围岩稳定。

图5 侧压系数2.0地应力时不同承载系数下主动承载层应力云图

3.4 侧压系数地应力与主动承载层厚度、最大压应力关系分析

通过模拟不同承载系数下主动承载层厚度、最大压应力随侧压系数地应力的变化规律，得到图6侧压系数地应力与主动承载层厚度、最大压应力关系曲线，由图6（a）可知，高承载系数下，主动承载层厚度随侧压系数地应力的增大先非线性缓慢减小，之后逐渐趋于稳定值；中等承载系数下，主动承载层厚度随着侧压系数地应力增加先线性缓慢减小，之后随着侧压系数地应力增加迅速减小为0；低承载系数下，主动承载层厚度随着侧压系数地应力增加线性迅速减小为0；一定侧压系数范围内，主动承载层厚度随承载系数减小而减小。

图6 侧压系数地应力与主动承载层厚度、最大压应力关系曲线图

由图6（b）可知，主动承载层最大压应力随着侧压系数地应力的增加逐渐减小，减小的幅度随着侧压系数地应力的降低而增加，其中低承载系数下减小幅度较大；同一侧压系数下，主动承载层最大压应力随着承载系数的减小而减小。

综合以上变化分析，高承载系数下，主动承载层对于侧压系数地应力的变化具有较好的适应性，具有主动承载层厚度以及最大压应力较大的特征；而中等和低承载系数下，只能适应一定范围内的侧压系数地应力；主动承载层最大压应力随着地应力侧压系数地应力增加逐渐减，随着承载系数的降低而减小。

4 结论

不同的地应力应使用不同的主动承载层承载系数，在侧压系数地应力分别为1.0、1.5和2.0条件下对应使用低、中等和高承载系数主动承载层。

在侧压系数地应力为1.0、1.5和2.0条件下，高承载系数所形成主动承载层厚度和最大压应力最大，最大值为2.20 m 和3.30 MPa。

主动承载层对侧压系数地应力的适应性随承载系数强度的降低逐渐降低；主动承载层厚度和最大压应力随着承载系数减小而减小。