高地应力软岩隧道初期支护优化研究*

邵珠山，李 希，赵南南，张 喆，乔汝佳

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；2.西安建筑科技大学 陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西 西安 710055)

0 引言

近年来，随着我国交通事业的蓬勃发展，铁路隧道建设已取得巨大的突破，现阶段已投入运营的隧道达到17 000座[1]。在隧道的建设过程中，穿越不良地质现象已成为常态，其中直边墙软岩隧道因其特殊断面形式以及围岩较差等原因极易发生大变形，随之而来的拱架扭曲、衬砌开裂及侵限问题的出现给隧道支护结构以及正常施工带来极大的安全隐患，已成为工程界关注的焦点与难点问题[2]。

目前，关于隧道变形控制及支护优化的研究方法主要以理论分析、现场试验监测以及数值模拟为主。其中刘宇鹏等[3]、李岳等[4]考虑应变软化特性的深埋隧道弹塑性解，分析高地应力软岩隧道锚杆支护原理，提出隧道长、短锚杆联合支护的方法；周杨等[5]通过理论计算的方式对软岩隧道应用自旋注浆锚管可行性进行分析，为软岩隧道支护技术研究提供新方法；王伟等[6]通过数值模拟与现场监测方式对软岩隧道洞口浅埋段围岩变形特征及支护措施进行研究，提出适用于大法郎隧道的变形控制措施；王道远等[7]、Huang等[8]通过在施工现场对4种围岩大变形试验性支护方案进行监测，根据监测结果对比不同方案的支护效果，得出解决中义隧道大变形的合理支护方案；邓斌等[9]、Wang等[10]以油坊坪隧道为例通过数值模拟对原有支护方案进行弱化锚杆并增强初期支护强度，分析隧道变形以及支护受力情况，选择合理的初期支护参数，进行现场应用验证其有效性;李雪峰等[11]、Yan等[12]结合现场隧道变形监测与数值模拟分析，通过改变隧道支护参数，研究隧道在不同支护参数下的变形以及支护受力情况，对隧道原有的支护参数进行调整应用。虽然关于隧道的变形控制与支护优化的研究已有很多，但施工过程中支护结构的力学响应、设计参数以及施工方法的研究仍不够深入，且变形控制措施的提出缺乏理论依据。此外营盘山隧道断面形式与常规隧道有所不同，较多支护优化方法并不能完全适用于该隧道的变形治理。

本文以营盘山隧道为例，研究不同边墙曲率及支护参数对隧道变形的控制效果，由此得到合理的边墙曲率与支护参数组合，并通过围岩-支护特征曲线对优化后的支护方案进行安全评价，结合现场监测数据验证支护优化方案的合理性，为后期该隧道及类似工程支护优化提供参考。

1 营盘山隧道的变形分析

1.1 工程概况

营盘山隧道位于大瑞铁路上坝站-永新站之间，呈东西向展布。隧道最大埋深约为450 m，地应力水平极高，围岩较差，施工过程中揭露的围岩为中～强风化白云岩夹灰岩。隧道变形段的地质剖面图如图1所示。

图1 隧道变形段的地质剖面

隧道在进入大变形段施工时变形突增，在边墙处出现较大的变形，表现为衬砌开裂、初支侵限以及拱架扭曲变形，如图2所示。通过持续对该区段监测发现，隧道最大水平收敛达到256 mm，为控制隧道水平方向大变形，参建单位及时对支护方案进行调整,调整后隧道水平收敛减少至187.9 mm，但依然超过监测预警值。为此现场对掌子面进行暂时封闭，并施加临时仰拱等加固处置措施，持续对该区段进行监测及试验工作。

图2 隧道边墙大变形灾害

1.2 现场监测数据分析

隧道支护参数见表1，为进一步分析隧道水平方向大变形的原因以及对原有支护参数进行优化，在大水平变形段对围岩变形及压力进行监测，测点的布设方案如图3所示。其中，A～G为围压变形的监测点；Z2～Z4，Y2～Y4为围岩压力监测点。

表1 监测断面支护参数

根据图3，在断面相应测点埋设土压力盒，并按照监测规程对监测断面进行围岩变形及压力的监测，监测结果如图4所示。

图3 测点布设

由图4(a)可知，隧道围岩在刚开挖3～5 d变形发展较快，拱顶沉降最大变形速率约为11.8 mm/d；中台阶水平收敛变形速率最大约为21.4 mm/d，之后速率明显降低；隧道在第17 d仰拱施作完毕，支护闭合成环，第20 d围岩变形出现收敛的趋势，并逐渐稳定；由此说明支护结构及早封闭成环可以使围岩变形尽早收敛；第25 d左右，隧道变形逐渐稳定，此时拱顶沉降、上台阶、中台阶及下台阶收敛分别为128.8,151.2,187.9,106.8 mm，相比下台阶，上台阶变形值明显偏大。这是因为下台阶开挖不久后仰拱施工完毕，支护结构成为1个整体，对于隧道围岩变形约束能力增强，使得下台阶围岩变形更易趋于收敛。

图4 监测断面隧道变形与围岩压力时程曲线

由图4(b)可知，围岩压力在监测初期增长十分迅速，期间监测数据虽有波动但仍具有上升的趋势，在第25 d左右时隧道围岩压力逐渐趋于稳定。从围岩压力稳定后的分布来看，隧道左拱腰与右拱腰处围岩压力最大，但与其他部位差值较小，并且隧道断面左右两侧围岩压力相差也较小，说明隧道并无偏压现象。

隧道软岩变形区段断面洞高9.43 m，跨长6.86 m，边墙的曲率较小，支护结构对于围岩水平方向的变形与压力抵抗能力较弱，当围岩变形与压力水平增大时，其支护结构抵抗变形能力减弱，极易发生破坏失稳。

2 数值模拟计算分析

2.1 模型建立及参数选取

根据营盘山隧道的工程地质特征，建立有限元模型，尺寸为100 m×100 m，纵向埋深为1.2 m(2个施工循环进尺)，通过在隧道顶部作用8.45 MPa的等效荷载来实现隧道400 m的实际埋深。隧道网格划分如图5所示。

图5 隧道网格划分

隧道开挖方式采取三台阶法，围岩采用Mohr-Coulomb弹塑性单元，衬砌采用壳单元，锚杆采用杆单元。

模型材料参数见表2，拱架与喷射混凝土按式(1)进行等效考虑[13]。

表2 隧道模型参数

(1)

式中：E为等效后的弹性模量，GPa；Ec为喷射混凝土的弹性模量，GPa；Es为钢拱架弹性模量，GPa；Ac为喷射混凝土的横截面积，m2；As为钢拱架的横截面积，m2；A为衬砌横截面积，m2。

2.2 既有支护方案的有限元分析

对隧道原有支护条件进行建模计算，结果如图6所示。由图6可知，隧道开挖支护完成后，拱顶处竖向变形为110.3 mm，水平方向最大变形发生在中台阶边墙处，变形值为166.2 mm。

图6 监测断面围岩位移云图

数值模拟与现场实测结果对比曲线如图7所示。由图7可知，二者总体趋势相近，隧道变形有所差异，这是因为隧道实际地质情况复杂多变且现场测量误差而导致存在偏差。但是偏差较小，且总体变化趋势相近，因此所建模型可用于支护参数敏感性分析。

图7 拱顶沉降实测与模拟曲线对比

2.3 边墙曲率对于隧道变形影响分析

营盘山隧道水平大变形段支护结构边墙矢跨比仅为0.04。为探究边墙矢跨比对于直边墙大变形隧道水平方向变形的影响，在既有支护条件基础上保持断面高度不变，增加边墙矢跨比，结果如图8所示。

图8 最大水平收敛与边墙曲率关系曲线

由图8可知，隧道的最大水平收敛在边墙矢跨比较小时，随着边墙矢跨比增大而减小，当边墙矢跨比达到0.12时，隧道的最大水平收敛为129.8 mm，较原断面形式减少22.1%。对试验值进行拟合后发现当边墙矢跨比为0.133时，最大水平收敛为127.3 mm，减少23.4%，当矢跨比超过0.133时，隧道水平变形不降反升，说明0.133为最优边墙曲率。考虑到边墙矢跨比越大，断面面积就越大，所需耗材增多，故综合考虑取边墙矢跨比为0.12。

2.4 锚杆参数对于隧道变形影响分析

锚杆是常用隧道支护结构措施之一，为分析锚杆参数对于隧道围岩变形的影响，通过在既有支护条件基础上改变锚杆长度与间距分析不同工况下隧道变形的情况，结果如图9所示。

图9 锚杆参数-隧道变形关系曲线

由图9可知，隧道变形与锚杆长度呈非线性负相关，与锚杆间距呈非线性正相关，曲线整体趋势较为平缓。当锚杆长度增长至5.0 m时，原边墙矢跨比下隧道水平变形减少1.7%，拱顶沉降减少3.5%，边墙矢跨比为0.12时水平变形减少2.8%；当锚杆间距加密至0.6 m时，原边墙矢跨比下水平变形减少2.1%，拱顶沉降减少3.9%，边墙矢跨比为0.12时水平变形减少4.1%。上述结果表明，边墙矢跨比为0.12时锚杆参数的效能增强，锚杆长度增长至3.5 m，间距加密至0.8 m，曲线变化幅度变小。整体而言，增强锚杆参数隧道的变形改变幅度较小。因此在进行锚杆参数优化时，可将锚杆长度设置为3.5 m，间距设置为0.8 m即可。

2.5 衬砌参数对于隧道变形影响分析

衬砌结构的强度不足是导致隧道水平方向大变形的另一主要因素，通过在既有支护条件基础上改变不同衬砌参数进行模拟计算，研究其变形特征，结果如图10所示。

图10 衬砌参数-隧道变形曲线

由图10可知，隧道变形与衬砌厚度及弹性模量均呈非线性负相关，较之改变锚杆参数，改变衬砌参数后曲线变化趋势较为明显，围岩变形控制效果更显著。但当衬砌厚度与弹性模量增加至一定范围后，曲线变化渐缓，衬砌对于变形约束效果降低，符合文献[14]中支护抗力与隧道洞壁位移的关系及变化趋势的结果。当衬砌厚度增加至0.4 m时，原边墙矢跨比下水平变形减少28.7%，拱顶沉降减少23.5%，边墙矢跨比为0.12时水平变形减少30.1%；当衬砌组合弹性模量增加至38 GPa时，原边墙矢跨比下水平变形减少21.9%，拱顶沉降减少22.6%，边墙矢跨比为0.12时水平变形减少25.6%。上述结果表明，墙矢跨比为0.12时衬砌参数效能增强，当衬砌厚度0.3 m、弹性模量增加至34 GPa时曲线逐渐变缓，继续增强衬砌，对隧道变形的约束效果不再显著。故综合考虑经济性与实用性，可将衬喷射混凝土调整至0.3～0.35 m，不同钢拱架以及喷射混凝土层组合后刚度调整至34～36 GPa即可。

3 支护方案优化

3.1 基于围岩-支护特征曲线的支护安全性评价

综合考虑边墙矢跨比、锚杆参数以及衬砌参数对于隧道变形的影响，最终选择的支护优化方案见表3。

表3 支护参数优化方案

为预防隧道支护结构病害以及定量分析上述支护方案的安全性能，从允许位移的角度定义支护结构的安全系数，具体计算如式(2)所示[15]：

(2)

式中：Fs为安全系数；umax为最大支护阻力对应位移；ueq为地层-支护特征曲线平衡时的位移；u0为先期位移。

根据数值模拟的结果绘制相应支护方案的围岩-支护特征曲线进行支护方案安全系数的计算，如图11所示。其中，P1max为优化方案的最大支护阻力，MPa；P2max为原方案的最大支护阻力，MPa；P1eq为优化方案平衡点的支护阻力，MPa；P2eq为原方案平衡点的支护阻力，MPa；u1max为优化方案的最大位移，mm；u2max为原方案的最大位移，mm；u1eq为优化方案的平衡点位移，mm；u2eq为原方案的平衡点位移，mm。

图11 拱顶处地层-支护特征曲线

由图11可知，先期位移为25 mm，方案优化前后的最大位移为110.3，73.2 mm，平衡时位移分别为104.0，53.5 mm。根据式(4)可计算出支护优化方案前后的安全系数为1.07，1.93。上述数据表明，优化后的支护方案的安全性能较之前显著增强，能够满足支护结构的安全需求，由此方法可计算出支护结构其他部位的安全系数，如图12所示。

图12 初期支护安全系数

由图12可知，支护优化方案的安全性能较之前显著提高，能够满足隧道施工以及运营安全要求，故将优化后的支护方案应用于施工现场。

3.2 优化方案的现场应用

支护优化方案应用区段均未再次发生开裂、鼓出等现象，说明方案的安全性能满足要求，隧道变形监测数据如图13所示。

图13 支护优化后隧道变形时程曲线

由图13可知，隧道变形稳定后拱顶沉降最大达到57.9 mm，上、中及下台阶收敛达到52.1，67.4，46.3 mm，变形较之前明显降低，说明优化后的支护设计参数对围岩变形约束效果显著。总之，增加隧道边墙矢跨比及增强初期支护参数可以有效解决高地应力直边墙软岩隧道大变形问题。

4 结论

1)现场监测发现原有“马蹄形”断面形式下隧道拱腰与边墙处的变形及受力较大，边墙矢跨比调整为0.12时隧道水平方向的变形得到有效控制。

2)通过数值模拟分析不同支护参数作用下隧道变形情况，发现较之锚杆加固，增强衬砌结构的强度可以有效提高初期支护对于该隧道大变形的抵抗能力。但是支护参数增强至一定范围后，变形约束效果并未明显提高。

3)通过数值分析原有边墙矢跨比以及边墙矢跨比为0.12时支护参数的变形控制效果，发现边墙矢跨比为0.12时锚杆以及衬砌参数作用效能更高。

4)基于围岩-支护特征曲线理论对隧道支护方案进行安全评价，发现支护优化方案的安全性能较之前显著增强，经后期现场应用监测后发现隧道的变形大幅减少，支护结构并未发生破坏失稳的现象，为同类工程施工提供参考。