不同喷射混凝土厚度对隧道围岩变形影响分析

孙润方， 杨 凯， 晏启祥， 蒲同体， 万 斐

(1. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031；2. 中铁二局第一工程有限公司，贵州贵阳 550007)

根据“新奥法”理论，隧道初期支护中重要的一项工序为喷射混凝土，它具有快速施作、早期强度高、与围岩粘结紧密等优点。隧道开挖后能及时施做喷射混凝土支护，起到封闭岩面、防止围岩风化松动、填充坑洼、提高围岩的整体性发挥自身结构的能力。根据前人研究[1-2]，喷射混凝土厚度对围岩及自身有一定影响，喷层越厚，初始承载力提高，柔性下降，脆性增加，喷层易与围岩脱离；喷层越薄，混凝土柔性增加，允许围岩发生一定的变形，减轻二衬承载负荷[3-5]。因此，依托实际工程，研究不同喷射混凝土厚度对隧道的影响，选取25cm、27cm、30cm和32cm四种工况，采用数值模拟方法，对比其对隧道围岩变形的影响。

1 工程概况

丽江至香格里拉铁路位于云南省西北部，南起大丽铁路丽江车站，向北跨越金沙江，经小中甸至香格里拉，宗思隧道，全长2 205m，隧道最大埋深190m。隧址区处欧亚板块和印度洋板块相互碰撞汇聚形成的青藏高原东南缘之川滇菱形断块的西部边界断裂带(金沙江-中甸断裂带)内，属我国著名的南北向地震带南段之滇西地震带，受其影响，区内地质构造发育。

2 三维数值模型建立

采用FLAC3D建立基本数值模型并进行分析，计算模型横向取90m(大于5倍洞径)，竖直向上取至拱顶以上50m，其余埋深通过施加竖向荷载的方式来体现，竖直向下取40m，纵向取80m。考虑到模型具有对称性，这里取模型的一半进行分析，底面及侧面采用节点固定约束，模型及网格划分见图1。

围岩采用三维实体单元，采用摩尔-库伦本构模型；初期支护采用壳(Shell)单元，锚杆采用三维锚索(Cable)单元，计算时考虑围岩材料为各向同性。支护结构计算模型见图2。本次计算参数参考TB10003-2016《铁路隧道设计规范》[2]、GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[3],取值见表1。喷射混凝土厚度取25cm、27cm、30cm和32cm，按照实际开挖步即三台阶开挖法进行开挖。

表1 模型材料物理力学参数

图1 计算模型及网格划分

图2 锚杆及喷射混凝土

3 计算结果及分析

3.1 隧道贯通时围岩位移

图3为隧道贯通时，不同喷射混凝土厚度情况下隧道周边的竖向位移等值线图。由图3知，四种工况中，隧道拱顶位置处的沉降最大，随着喷射混凝土厚度增大，拱顶位移逐渐减小，说明较大的喷射混凝土厚度对于隧道拱顶处围岩的变形有一定约束作用。

图3 不同喷射混凝土厚度下模型竖向位移等值线

3.2 开挖时围岩变形

图4为不同工况下监测断面的拱顶沉降位移随施工步的变化曲线。由图4知，隧道开挖至监测断面之前，由于围岩开挖卸荷，监测断面拱顶会发生先行沉降位移；当开挖面距监测断面约5m时，拱顶沉降位移迅速增加，当开挖到监测断面前方约2m时，拱顶沉降位移增速逐渐减小；中台阶和下台阶开挖后，拱顶沉降继续增长，其增长速率逐渐减小；当工作面与监测断面相距一定范围时，沉降基本趋于稳定，工作面继续向前开挖，监测断面沉降逐渐趋于收敛。

图4 不同混凝土厚度下的拱顶沉降位移曲线

混凝土厚度为25cm的拱顶沉降为431.8mm，混凝土厚度为27cm的拱顶沉降为428.5mm，约为混凝土厚度为25cm时的0.99倍；混凝土厚度为30cm的拱顶沉降为424.8mm，约为混凝土厚度为25cm时的0.98倍；混凝土厚度为32cm的拱顶沉降为423.2mm，约为混凝土厚度为25cm时的0.98倍。开挖至监测断面时，三种不同混凝土厚度下拱顶下沉释放位移约占总位移的比例为34 %。

图5、图6分别为不同工况下上、下台阶水平位移随施工步的变化曲线。

图5 不同混凝土厚度时上台阶监测点水平位移曲线

图6 不同混凝土厚度时中台阶监测点水平位移曲线

由图5、图6知，混凝土厚度为25cm时上台阶水平位移为211.6mm，混凝土厚度为27cm时上台阶水平位移为202.5mm，约为混凝土厚度为25cm时的0.96倍；混凝土厚度为30cm时上台阶水平位移为188.3mm，约为混凝土厚度为25cm时的0.89倍；混凝土厚度为32cm时上台阶水平位移为179.6mm，约为混凝土厚度为25cm时的0.85倍。混凝土厚度为25cm时中台阶水平位移为346.1mm，混凝土厚度为27cm时上台阶水平位移为336.1mm，约为混凝土厚度为25cm时的0.97倍；混凝土厚度为30cm时中台阶水平位移为321.7mm，约为混凝土厚度为25cm时的0.93倍；混凝土厚度为32cm时中台阶水平位移为312.5mm，约为混凝土厚度为25cm时的0.90倍。

将隧道最终的拱顶沉降位移、上台阶水平位移和中台阶水平位移提取并绘制不同工况下位移曲线，见图7。由图7知，随着喷射混凝土厚度的增加，拱顶沉降位移、上台阶水平位移和中台阶水平位移逐渐降低，其中拱顶沉降位移降低值较小，上台阶水平位移和中台阶水平位移的显著降低。这说明增加混凝土厚度对控制水平方向效果较好，对控制拱顶沉 降作用较小。

图7 不同混凝土厚度时最大位移对比

4 结论

采用FLAC3D数值模拟方法，研究了25cm、27cm、30cm和35cm四种不同喷射混凝土厚度对隧道围岩的变形影响，主要结论如下：

(1)隧道贯通时，随着喷射混凝土厚度增加，拱顶位移逐渐减小，较大的喷射厚度对于隧道拱顶处围岩的变形有一定约束作用。

(2)开挖过程中，随着隧道喷射混凝土厚度的增加，拱顶沉降位移、上台阶水平位移和中台阶水平位移逐渐降低，其中拱顶沉降位移降低值较小，上台阶水平位移和中台阶水平位移的显著降低，增加混凝土厚度对控制水平方向变形效果较好，对控制拱顶沉降作用较小。