基于围岩动态分级的隧道底部支护优化与稳定性研究

徐东强 邢亮 曹富兴

摘要 在对以往隧道工程进行调研的基础上，确定合适的围岩动态分级方法后，采用围岩分级后的岩石力学参数在承赤高速进行现场试验与监测得出平底隧道支护符合稳定要求。并根据霍克布朗准则，通过FLAC3D有限差分软件对比不同隧道底部模型的拱顶沉降、拱底隆起和二衬应力得出：Ⅳ1级围岩下隧道两个模型的竖向位移变形值相差不超1 mm，平底隧道的二衬与仰拱隧道二衬在承载应力上差距较小。故Ⅳ1级围岩下取消仰拱，采用平底隧道的形式具有可行性。其他类似工程可借鉴于此研究成果。

关 键 词 围岩动态分级;岩石力学参数;霍克布朗准则;有限差分软件;可行性

中图分类号 U451     文献标志码 A

Support optimization and stability of tunnel bottom based on dynamic classification of surrounding rock

XU Dongqiang， XING Liang， CAO Fuxing

（School of Civil Engineering and Transportation， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract On the basis of previous tunnel projects' investigation， suitable dynamic classification method of surrounding rock is determined. The field test and monitoring of rock mechanics parameters after surrounding rock classification at Chengchi Expressway show that the flat bottom tunnel supports meets the stability requirements. According to the rule of Hoek-Brown， through FLAC3D finite difference software contrast different model at the bottom of the tunnel vault subsidence， arch bottom uplift and the secondary lining， can conclude that the vertical displacement of each tunnel model differs by no more than 1 mm in controlling settlement for IV1 surrounding rock and there was a small difference in bearing stress between the secondary lining of flat bottom tunnel and that of invert tunnel. It verifies the feasibility of using flat-bottom tunnel to substitute invert arch for IV1 surrounding rock.Other similar projects can draw on the results of this research.

Key words dynamic classification of surrounding rock; rock mechanics parameters; rule of Hoek-Brown; finite difference software; feasibility

0 引言

現代隧道建设中通过支护结构调动围岩承载能力的观念深入人心，然而隧道开挖是一个动态过程，围岩状况也不是一成不变的，如何根据工程需要确定合理的围岩参数，是隧道修建过程中需要考虑的问题[1-2]。并且，在围岩性质不良的隧道中，仰拱作为公路隧道衬砌的结构设计中的一部分，能够有效的控制围岩变形。王可意[3]细化了岩体的完整性系数与岩石的风化程度对岩石强度指标的影响。石志龙等[4]通过监测数据及时调整围岩级别，控制施工参数取得了较好的经济效益。实际围岩力学行为较为复杂，具有明显的时空效应，随施工过程而变化[5]。进行现场监控量测能够及时了解隧道结构的实际受力情况，是衡量隧道稳定性的标准[6-7]。徐东强等[8]运用现场监测与数值分析验证发现Ⅳ2级三车道隧道采用底部加基础梁形式代替仰拱可保持隧道稳定性。李之达[9]运用数值模拟分析发现Ⅳ、Ⅴ级围岩设置仰拱可有效抑制围岩变形，Ⅲ围岩下支护作用不明显故可取消仰拱。沈亚斌等[10]运用ANSYS有限元软件分析发现施作仰拱能减少围岩应力集中的现象，但仰拱的开挖对围岩的扰动较大。为了加强隧道施工过程的安全性，本文将围岩分级方法应用于具体工程，对应用围岩变更的隧道进行监控量测，确定围岩级别划分的合理性以及平底隧道支护的稳定性后再运用FLAC3D有限差分软件验证采用平底隧道代替仰拱的可行性。

1 围岩动态分级

本文对河北省内承唐隧道、邢汾高速、承赤高速、承秦高速公路、张承高速公路上，共46座隧道进行了调研统计，并结合国内外相关文献分析[11-14]，根据表1统计的国内外围岩分级指标可看出，国内外的分级指标大致相同，岩石坚硬程度以及岩体完整程度对围岩级别起到关键性影响。《公路隧道设计细则》（JTG-TD70）可确定围岩亚级分级指标和定性定量衡量岩石的硬度，定性衡量不光考虑岩石本身的成分、结构及其成因等因素外，还需考虑岩石的受风化作用程度。岩石单轴抗压强度Rc与岩石点荷载强度指数Is可由现场点荷载试验测得，测量数据如表2所示，单轴抗压强度与点荷载强度指数之间的关系可由《工程岩体分级标准》中的回归公式（1）表示：

[Rc=22.82I0.75s（50）]。                             （1）

结构面发育程度各参数中，岩体完整性受两个因素影响，一是结构面组数，二是结构面平均间距。因此两者是定性评价结构面发育程度的标准[15]，多数分为四级如表3所示。

岩石弹性纵波速度测试用于定量分析岩体完整性，测试得到的值按照公式（2）计算出岩体完整性指数Kv[16]，推断出的定性值见表4。

[Kv=VpmVpr2]  ，                           （2）

式中：[Vpm]为岩体弹性纵波速度（km·s-1）;[Vpr]为岩石弹性纵波速度（km·s-1）。

Hoek-Brown强度准则岩体的力学性能参数可以由公式（3）计算的岩石BQ值和公式（4）计算的岩石强度指数GSI来确定。实现了围岩亚级的划分与数值模拟过程中力学指标的选取。 对承赤高速公路17条隧道，83个工作面进行了围岩分级，围岩变更情况如表5。

[BQ=90+3Rc+250Kv]，                    （3）

[GSI=0.2[BQ]-30]。                      （4）

2 现场试验与数据分析

赤承高速五标段南沟隧道位于燕山地区，始于承德县南沟村东。隧道区地层为侏罗纪泥岩、安山岩、角砾岩及花岗岩，选取代表性断面进行分析，该分析断面位于南沟隧道出口（右洞）K65+680掌子面，面积长×宽为6 m×2 m，存在3～4组节理，节理面平均间距0.2～0.4 m，围岩较完整，JV=17。围岩底部潮湿，局部有点状出水滴，地下水影响系数K1=0.2;主要结构面产状影响系数K2=0.3，初始地应力影响系数K3=0，计算得到围岩基本质量指标修正值[BQ]为322.4。隧道围岩划分等级为Ⅳ1级，支护结构采用平底隧道形式，采用压力盒对该断面围岩和初期支护的接触压力进行监测，压力和布置图如图2。

监测时间从2012年9月2日开始，累计监测22个月，监测结果如图4和图5所示。从9月2日开始监测，隧道初衬压力随工作面推进，压力不断增大，至9月18日，约15～18天，初衬压力趋于稳定，其中拱顶压最大达到112.3 kPa。

从10月23日开始下台阶的开挖对K65+680监测断面初衬压力产生影响， 使得围岩与初衬之间的压力增大，拱顶增大并稳定到177 kPa左右，上拱肩增大到84.6 kPa后降低并稳定到68 kPa左右。 而下拱肩降低到0 kPa左右，认为围岩与初衬之间没有力作用，围岩达到自稳，初衬相对稳定。隧道下台阶的开挖，使拱顶初衬压力增加57%左右。随着下台阶掌子面的推进至2012年11月15日，即累计监测74日，围岩与初衬之间的压力逐渐平稳该断面初衬处于受压状态， 对稳定有利，12月1日，即监测第90天，拱顶压力增至215 kPa，之后一直到监测结束，各监测点压力值大体保持不变。南沟隧道K65+680采用复合式衬砌结构设计，初衬喷射混凝土层为C25混凝土，二衬采用C30素浇混凝土。通过监测隧道喷射混凝土层的压力数据，IV1级围岩采用平底隧道结构支护，隧道初衬支护符合稳定要求。

3 隧道支護方式数值模拟

隧道围岩的位移和弹塑性范围可作为围岩稳定性的评价标准和隧道支护定量设计的理论基础[17-18]。本文使用FLAC3D进行数值模拟，建立对比模型：模型1为平底隧道，模型2为仰拱隧道。重点分析了模型的竖向及水平位移和二次衬砌应力的分布特征，论证围岩级别划分以及相应支护的可行性。本文选取左线里程ZK65+580处的工程地质情况作为建模依据。

3.1 计算模型及边界条件

根据平底隧道采用三心圆模型，仰拱隧道采用五心圆模型，不设置超前支护。模型尺寸设计为100 m×51 m×100 m，隧道三维模型网格图如图6。初衬由锚杆和喷层混凝土共同组成，隧道底部的基础梁由梁单元模拟。隧道开挖支护的模拟过程：先开挖上半台阶断面，每次开挖进尺3 m，等到上台阶初期喷锚支护完成后，再进行下一个上半台阶的下一个循环，下台阶开挖面与上台阶工作面间隔15 m，下台阶开挖进尺3 m，开挖完成后进行下台阶断面的支护，待整个初期支护完成后选择合适的时机进行二次支护。

隧道模型支护结构，采用Cable单元模拟杆，锚杆选择中空注浆锁脚锚杆。初期支护喷射混凝土由衬砌单元shell模拟，为Mohr-Coulomb模型实体单元，强度等级为C25。围岩为Hoek-Brown实体单元。在FLAC3D数值模拟中，喷射混凝土的弹性模量由钢拱架和钢筋网的弹性模量折算得出，其计算公式为

[E=sc?Ec+sg?Egsc+sg] ， （5）

式中：E为折算后的混凝土弹性模量;[Ec]为原混凝土的弹性模量;[sg]为钢拱架或钢筋网截面面积;[sc]为混凝土截面面积;[Eg]为钢材弹性模量。

初始应力场仅考虑自重应力影响，岩石力学指标采用Hoek-Brown屈服准则会更加接近实际岩石节理裂隙与非线性破坏，整体考虑岩块风化程度、应力状态与块体结构以及完整性系数。岩体参数mb，b，s，a的值由公式（6）、（7）确定，如表1所示。依据现场点荷载试验数据和公路隧道设计规范（JTG / T D71—2004），可选取围岩和衬砌参数，见表6和表7。

1）对于GSI>25.0（Ⅲ级围岩）

[mb=miexp（GSI-10028）s=exp（GSI-1009）a=0.5]。                  （6）

2）对于 GSI<25.0（Ⅳ～Ⅴ级围岩）

[mb=miexp（GSI-10028）s=0a=0.65-GSI200]。                （7）

式中：[mb]，a为针对不同岩体的量纲一的经验参数;s为岩体破碎程度。

3.2 目标断面主要检测点分析

3.2.1 位移场分析

由于隧道开挖扰动造成的影响，变形已经发生在掌子面前方数十米范围的岩体中，现场量测往往滞后开挖面一定距离对隧道拱顶沉降进行量测。图7和图8为隧道开挖完成后的竖向位移图。围岩变形值随着开挖步数的增长而增大，最后逐渐趋于稳定。从图9可知仰拱和平底隧道模型的沉降值基本重合，平底隧道模型最终沉降值为-5.136 7 mm，仰拱隧道模型最终沉降值为-5.209 7 mm，两者几乎无差异，说明平底隧道模型对围岩沉降起到和仰拱隧道模型一样的支护作用。从图7和图8可看出拱顶沉降由拱顶向两侧递减，最小值出现在拱脚处。从图11可看出仰拱隧道对拱底隆起起到较好的抑制作用，仰拱隧道最终拱起值为4.517 2 mm，平底隧道最终拱起值为4.924 4 mm，仰拱隧道拱起比平底隧道减少8.26%。在边墙水平位移方面，仰拱隧道略大于平底隧道，这是由于仰拱开挖对围岩扰动较大。整体看来，两模型沉降基本一致，底部拱起值及边墙水平值差距小，故在此围岩状况下施工可用平底隧道代替仰拱隧道，可对底部采取铺设混凝土减少拱起。

3.2.2 二次衬砌应力分析

由于隧道的运营周期较长，初期支护的承载作用到后期可能会减弱，二衬可作为隧道的安全储备，二衬表面的应力变化可作为隧道的安全指标。由图13和图14可看出两模型最大压应力都在拱脚处，平底隧道最大压应力值为11.912 MPa，仰拱隧道最大压应力值为11.287 MPa，均低于C30混凝土抗压极限强度。由图15、16可看出两模型最大拉应力位于隧道底部，平底隧道最大拉应力值为1.893 5 MPa，仰拱隧道最大拉应力值为1.666 4 MPa，均低于C30混凝土抗拉极限强度。两者在承载应力方面差距小。说明平底隧道支护能满足承载力要求。

4 结论

通过对围岩分级隧道断面的施工监控量测以及对隧道底部不同支护形式进行数值分析，得到如下结论。

1）通过对国内外隧道围岩分级采用的指标统计分析，确定了承赤高速公路隧道围岩亚级动态分级指标获取指标的方法。围岩级别变更后，动态围岩分级优于初始分级的比例较多，为49.4 %。

2）现场典型断面监测初衬数据分析表明，在监测过程中，支护结构所受到的围岩压力先增加后平稳，支护结构并未发生变形不收敛。在IV1级围岩中采用平底支护结构可以保证施工安全。

3）采用动态围岩分级后的参数通过数值模拟对比两种模型，可看出平底隧道与仰拱隧道在拱顶沉降，底部拱起、边墙水平位移以及二衬主应力上的差距较小。说明了该种围岩条件下平底隧道结构的合理性，验证了在Ⅳ1级围岩隧道中采用平底隧道代替仰拱的可行性，其结果可以为类似工程提供经验。在施工方面，采用平底隧道支护能够简化施工步骤，降低对围岩的扰动。在经济方面，更为节约成本。

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