软弱围岩隧道施工技术与稳定性研究

刘振斌

摘要：为了研究软弱围岩隧道的支护结构方案，文章选取西南地区某高速公路中一个含软弱围岩隧道为研究对象，通过前期勘察和上下台阶开挖方法，结合Midas NX有限元软件进行开挖过程中的位移和应力计算，得到开挖过程中仰拱上扬、拱顶下沉、边墙及拱脚外扩等位移变化规律，以及随着施工步骤的增加，围岩应力的释放规律。研究结果表明该支护结构在软弱围岩的是可行的。

关键词：软弱围岩;支护结构;Midas NX;隧道施工

中图分类号：U451+.2A371333

0 引言

我国经济的快速发展离不开交通的发展，经济的发展也在带动交通不断发展，我国交通网络越来越发达，不仅里程总数在不断增加，其技术也在不断地发展创新。山岭地区的高速公路穿越山岭一直是工程上的一大难点，传统的“宁绕勿穿”施工理念不仅使得道路距离大量增加，还会浪费大量的资源。隧道技术的发展正在慢慢解决这个问题，越来越多的大跨距的隧道工程随着隧道施工技术的不断发展而出现在人们的视野之中[1-3]，体现出其重要性。

随着高速公路向着越来越偏远的地区发展，复杂的地质条件导致隧道施工的难度也在不断增加，隧道施工中最重要的就是根据不同的围岩类型设计出相应的支护结构和施工方案，确保隧道的整体稳定性和工程安全性。现在工程上常用的新奥法是建立在现代岩石力学理论基础之上的一种施工方法，该方法主要是利用围岩的自身承载能力，加上辅助锚喷支护和混凝土等加固手段，以提升围岩的整体稳定性[4-5]。但是随着施工环境的变化，围岩的塑性区域会较以前有所扩大，围岩的整体稳定性减弱和位移增加问题给施工技术和传统的围压认知体系提出了新的挑战[6-10]。

在目前的隧道工程建设上，存在的最主要的问题仍然是支护结构问题，在不同的施工环境之下，如软弱围岩等，如何保证初期支护结构的承载能力、锚杆的功能和二次衬砌的安全性等问题。为了解决以上问题，就需要充分考虑围岩的类型、受力特点和变形因素，根据因素之间的协调作用设置合理的支护结构，以确保施工的科学性与可行性。

1 工程概况

1.1 地质条件

为了研究软弱围岩隧道支护结构设计，本文选取西南地区某高速公路中一个隧道为研究对象，这条高速公路穿过大量的山岭地区，桥隧比例高达72%左右，本次研究的隧道综合考虑了地质条件和地形地貌等影响因素，避开大断层和大坡度，为单纯研究围岩稳定性对于隧道工程整体安全性减少了许多其他因素。经过地质调查，得到该隧道内围岩等级的划分情况如表1所示，从表中可以看出，该隧道软弱围岩占比居多，因此需对软弱围压状态下的支护结构进行研究，以确保工程的整体安全性。

除了上述围岩等级，气温、降雨和地下水等因素也是隧道工程施工必须考虑的因素，经过调查发现，该地区属于亚热带季风气候，总体特征表现为夏季炎热、冬季寒冷和雨量较多。该地区年平均气温为14.4 ℃，偶尔最高气温可达40 ℃，偶尔最低气温可至-8 ℃;年平均降雨量为487 mm，主要多集中在夏季的7、8和9月，这三个月总的降雨量占全年降雨量的50%以上;隧道施工区的地下水类型主要为基岩裂隙水，包括基岩风化和构造两类裂隙水，洞身区域的地下水主要为构造裂隙水，洞口等其余地方地下水主要为基岩风化裂隙水。通过分析以上数据，对于地下涌水量制定出的预测方法为降水入渗法和地下径流模数法两种。

1.2 计算模型

在确定了围压等基本地质参数后，为了探究支护结构的整体稳定性，就需要研究围岩在开挖过程中的应力和变形情况。本文为了研究围岩在开挖过程中的情况，引入Midas NX有限元软件，对洞口段Ⅵ围岩进行数值模拟分析，计算参数包括隧道埋深22 m、侧向取值46 m、下方深度22 m、隧道断面及几何尺寸和支护结构体系按设计要求。围岩和支护结构参数如表2和表3所示。

开挖方法为上下台阶开挖法，这种方法虽然施工步骤较多，但是能充分地发挥围岩的自稳定性，施工步骤分为以下9个：（1）激活初始状态下的相关参数;（2）对施工岩体进行钝化开挖，并释放40%荷载系数;（3）激活上部分支护结构，并释放30%荷载系数;（4）对第三步剩余荷载系数进行释放;（5）钝化开挖下部分掩体，并释放40%荷载系数;（6）激活下部分支护结构，并释放30%荷载系数;（7）对第六步剩余荷载系数进行释放;（8）钝化开挖仰拱区域，并激活其支護结构;（9）激活二次衬砌部分并改变相应属性。

2 计算结果分析

2.1 围岩位移分析

通过研究围岩的位移变化可以直观地对围岩的稳定性进行判断，本次主要计算拱顶、仰拱和拱脚等几个重要点的位移变化，规定仰拱向上、拱顶向下、拱脚和边墙向向内的位移为正，计算结果如图1所示。从图中可以看出，隧道开挖围岩的主要位移变化集中在拱顶和仰拱，拱墙和拱脚位移很小，拱墙的最大位移量为2.1 mm，而拱脚的最大位移量为1.87 mm，可以认为围岩自身稳定性良好;拱顶的主要变形集中在前4个施工步骤，之后变形趋于稳定，最大变形量稳定在11.3 mm左右;而仰拱的主要变形集中在前7个施工步骤，之后变形逐渐稳定，最后的值稳定在12 mm左右。针对得到的结果可知，仰拱上扬，结构设计时需要进行相应的设计，至于拱顶的下沉，随着施工步骤的增加，变形能达到稳定，可以认为围岩自身能稳定其变形。总体来说，该种方法和设计能满足相应的工程要求。

2.2 围岩应力分析

围岩不同点的应力值是能直接反应该点受力情况的，因此研究在开挖过程中，特殊点的最大和最小主应力的值就能得到该点是否会存在安全隐患，在上下台阶开挖过程中，各处点的最大和最小主应力图如图2和图3所示。从图中可以看出，在初始状态下拱顶、拱墙、拱脚、仰拱的最大主应力分别是：-296.4 kPa、-273.5 kPa、-281.9 kPa、-202.8 kPa。从图中还可以看出，随着施工步骤的进行，不同点的最大主应力变化情况和趋势并不一致，但是都有一个共同点，那就是在7个施工步骤以后，所有点的最大主应力值都趋于平稳，且都较初始值有所减小，除了拱脚应力值减小较多，其余地方变化并不是很大，需要特别注意的地方就是拱脚在前四个施工步骤时其最大主应力都是在上升的过程，且最大能达到-450 kPa左右，施工中需要进行相应的应对措施。

最小主应力能间接证明上述最大主应力的准确性，从图3可以看出，与最大主应力变化趋势有相似之处，那就是最小主应力也是在第7个施工步骤以后，都趋于平稳。且能看出，施工开始时，最小主应力能得到迅速释放，随着施工继续进行，是为了找到一个稳定的情况，拱顶在应力释放后，值稳定在-0.78 MPa左右，待下面开挖后，应力再次得到释放，说明该种方法对于围岩的稳定性有很好的效果，能充分地发挥围岩的自稳定性。

3 结语

本文通过选取西南地区某高速公路中一个含软弱围岩隧道为研究对象，通过前期勘察和上下台阶开挖方法，结合Midas NX有限元软件进行开挖过程中的位移和应力计算，得到开挖过程中仰拱上扬、拱顶下沉、边墙及拱脚外扩等位移变化规律，以及围岩应力随着施工步骤增加的释放规律。所有结果均表明，该支护结构应用于软弱围岩隧道施工是可行的。

参考文献：

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收稿日期：2020-05-10