仁遵高速公路小窝凼隧道初期支护稳定性研究

刘永明

(中铁十七局集团城市建设有限公司 贵州贵安 550025)

1 引言

二十一世纪以来，我国的公路隧道建设进入了快速发展阶段，截至2016年底，我国公路隧道总长14 039.7 km(不包括港澳台地区)，其中长度在1～3 km的长公路隧道3 520处，长度达到6 045.5 km；大于3 km的特长公路隧道81处，达到3 622.7 km[1－3]。随着公路隧道工程的不断发展，关于隧道开挖后围岩与支护结构稳定性的研究得到大力发展，李晓红等[4]结合渝沙公路隧道位移监测数据与理论解认为初期支护在一定程度上减少了围岩的变形量与变形速率。陈远志等[5]通过对开挖隧道的围岩压力、锚杆轴力以及围岩位移进行监测，认为初期支护结构对围岩压力起到了协调变形与共同支撑的作用。一些学者[6－8]通过对开挖隧道围岩与支护结构的应力进行监测，结合数值计算对位移与应力变化规律进行了研究，得出了初期支护在隧道开挖过程中的受力特征。黄海昀等[9]依托九岭山隧道开挖过程进行现场监测，基于初期支护的受力特征对锚杆进行优化，并应用于现场。陈峥等[10]建立了基于超前支护与对数螺线的破坏模型，同时考虑了初期支护未支护段的影响，推导了围岩安全系数的函数并进行求解。一些学者[11－12]利用数值模拟软件对开挖隧道支护结构进行模拟，分析隧道在开挖过程中围岩发生变形以及支护结构的受力情况，通过室内试验对初期支护结构进行优化。张顶立[13]建立了支护结构协同工作的力学模型，揭示了初期支护加固的圈层与二次衬砌加固圈层的协同工作原理，对隧道工程的定量化设计有着重要意义。

本文采用数值分析软件，通过对仁遵高速公路小窝凼隧道工程的开挖、初期支护进行模拟。首先建立二维模型，通过施加生死单元进行开挖模拟，然后施加锚杆与混凝土层，模拟在初期支护的条件下，隧道围岩以及锚杆的受力状态；之后建立三维模型，探究隧道围岩压力，水平、竖向位移以及锚杆轴力随着开挖过程的相应变化，同时结合现场监测数据验证初期支护设计的可靠性，为高速公路隧道开挖初期支护安全施工提供支持。

2 工程概况

仁遵高速RZTJ-2合同段线路中的小窝凼隧道地处云贵高原东北部，位于遵义市北西面。左线为ZK5＋408～ZK6＋049段，长641 m，最大埋深88 m；右线为YK5＋405～YK6＋057段，长652 m，最大埋深83 m。左右幅隧道测设线间距为20 m，隧道进出口均采用端墙式洞门。

场区位于毕节北东向构造变形区，在ZK5＋927处有背斜，呈北西至南东。场区以强风化泥质白云岩为主，围岩等级为Ⅳ、Ⅴ级，岩体节理、裂隙发育。隧道进出口段岩体节理发育，岩体体积节理数为10～20条/m2，节理间距为200～400 mm。隧道主洞衬砌内轮廓采用R1＝8.745 m，R2＝5.55 m，R3＝1.58 m的三心圆结构，设计高程距拱顶高度7.94 m，净宽15.62 m。初期支护中，锚杆直径为25 mm，间距为0.75 m×1.2 m，长度为4 m。喷射混凝土的厚度为300 mm，强度等级为C25，钢支撑选用 22工字钢，钢筋网为8 mm盘条加工，双层钢筋网片，网格尺寸200 mm×200 mm，二次衬砌厚度为600 mm。在本设计中，由于施工区间地质情况相近，因此以隧道底板埋深最大的断面作为危险截面进行计算。由于隧洞的受力状态存在对称性，因此将传感器布设在隧洞拱顶、拱肩和拱腰处，最外侧测点距隧洞岩面为0.5 m。

3 数值模型计算

为研究小窝凼隧道开挖过程中的围岩稳定性问题，建立以下二维圆形硐室模型:几何尺寸60 m×60 m，模型左右和下边界均为法向约束，模型顶面埋深100 m，锚杆直径为25 mm，弹性模量为210 GPa。混凝土采用梁单元，锚杆使用杆单元，围岩体采用弹塑性体，屈服准则采用Mohr-Coulomb准则。

开挖衬砌断面如图1所示，模型材料力学参数如表1所示。

表1 材料力学参数

图1 隧道衬砌断面(单位:cm)

3.1 二维数值模拟分析

通过对开挖、支护过程进行模拟，得到在地应力平衡、开挖阶段以及初期支护阶段的围岩竖向位移以及应力，如图2所示。

图2 二维数值模拟计算

通过图2a、图2b的围岩位移变化过程可以看出，在隧道开挖后，隧道上方与下方围岩位移状态呈层状尖峰。随着与洞壁的距离增加，围岩位移也在逐渐减小，围岩底部由于垂直压力出现底鼓，顶部围岩出现下沉。根据围岩应力随着开挖的变化过程可以看出:土体开挖初始阶段，开始出现应力的不均匀分布；随着开挖进行，隧道顶部的土体由于出现卸荷，因此应力等值线沿着隧道中轴线发生凸起，出现应力集中现象。

通过图2c、图2d的围岩应力变化过程看出，隧道两帮围岩的应力由于上方荷载作用，拉应力逐渐增大；在隧道开挖阶段，隧道两侧围岩由于从三向受力状态变成了二向应力状态，两帮受到围岩挤压，隧道两侧的围岩受力较大，在施加了锚杆以及二次衬砌之后，隧道围岩整体由二向应力状态回到整体平衡状态，二次衬砌以及隧道围岩承受外部荷载，围岩变形量开始收敛，趋于稳定。

选取顶部以及隧道两帮的锚杆，探究锚杆轴力的变化过程，如图3所示。

图3 帮部、顶部锚杆轴力随距离洞壁长度变化

从图3可以看出，锚杆的轴力存在峰值，呈现“先增大、后减少”的趋势，该结果验证了“中性点”理论:在锚杆的剪应力分布特征中，靠近洞壁处，剪切力是指向洞壁的；远离洞壁处，剪切应力是背向洞壁的，存在剪切应力为0的中性点。

3.2 三维模型计算

隧道开挖过程对于已开挖部分的围岩压力、位移以及锚杆轴力的扰动是十分明显的。采用3.1节的模型参数，建立三维数值模型进行隧道开挖模拟，得出隧道洞口围岩应力、竖向位移以及锚杆的轴力随着开挖时间的变化趋势。隧道模型图如图4所示。

图4 三维模型

几何尺寸60 m×60 m×80 m，模型左右和下边界均为法向约束，模型顶面埋深25 m，锚杆直径为25 mm，长度为4 m，弹性模量为210 GPa。模型参数见表1，设定10个开挖步骤，在每一个开挖步之后施加锚杆以及混凝土层，其中混凝土采用梁单元，锚杆使用杆单元。围岩体采用弹塑性体，屈服准则采用Mohr-Coulomb准则。

3.2.1 围岩沉降分析

在开挖过程中，围岩会发生不同程度的位移，位移量的大小对于初期支护以及施加二次衬砌有着重要的参考意义，在模型中选取在开挖隧道中部围岩、顶部围岩、底部围岩的3点，分别提取出随着开挖进行这3点的围岩压力以及围岩位移的变化，具体的变化趋势如图5所示。

图5 围岩应力与位移变化

从图5可以看出，随着开挖距离的增大，洞口围岩的位移和应力都是趋于“先增大、后稳定”的趋势，这是由于在初期开挖中，开挖距离较短，所以对洞口的扰动较大。从模拟结果中可以看出在开挖到25 m的时候，洞口围岩顶部、底部以及中部的位移以及围岩压力开始保持稳定，此时距洞口的距离为开挖长度的1/4左右，验证了先前学者的结论:隧道开挖会对已开挖围岩产生扰动，扰动范围大约是开挖半径的5倍长度。

3.2.2 锚杆受力分析

对于有关锚杆的初期支护，在设计中通常按照工程经验结合最不利截面进行断面锚杆参数的设计；同样锚杆的受力特征对支护设计有着重要的意义。这里结合现有的三维模型，选取洞口锚杆一个参考点的轴力数据，探究支护锚杆轴力随着开挖过程的变化趋势，如图6所示。

图6 中部、顶部锚杆轴力随开挖距离变化

从图6中可以看出，洞口锚杆的轴力值也是呈现“先增加、后稳定”的趋势，同时顶部锚杆与中帮锚杆的变化趋势一致。从图6中也可以看出与围压压力存在相同的“拐点”，拐点的位置距离洞口为已开挖长度的1/4处。

4 现场实测

4.1 锚杆轴力现场实测

为了验证二维数值模型得出锚杆轴力趋势的准确性，通过现场监测分析了仁怀至遵义段高速公路小窝凼隧道开挖断面锚杆轴力随测点不同埋深的变化曲线。试验锚杆分别在距离洞壁长度为0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m以及3 m的位置将光纤光栅应变片等间距分布在锚杆上，选取其3个量测断面同为左边墙上的锚杆，如图7a所示。

通过图7a发现，锚杆轴力呈现 “中间大，两头小”的趋势，说明存在一个过渡点使得锚杆轴力减少，同时这一中性点靠近锚杆端部，进一步验证了二维数值模型的准确性。

为了验证三维数值模型得出锚杆轴力随着开挖过程的变化趋势，根据仁怀至遵义段小窝凼隧道工程进洞口锚杆轴力数值计算的变化趋势，选取靠近洞口0.7 m、1.4 m的2个测点进行锚杆轴力的监测，监测结果如图7b所示。

图7 锚杆轴力监测

从图7b中可以看出，距离孔口0.7 m和1.4 m锚杆的变化趋势是一致的，“拐点”的位置同样距离洞口为已开挖长度的1/4处，从而验证了三维模型的准确性。

4.2 围岩变形现场实测

为了验证该三维模型得到围岩位移和围岩压力随开挖过程的变化趋势，利用隧道断面拱顶沉降和水平位移的监测数据(见图8)进行分析。

图8 隧道位移监测

根据监测结果发现，隧道围岩变形均呈现出“开始变形－变形加速－变形缓慢－变形趋稳”的单调递增趋势；“支护－围岩”两者作用体系的演化过程具有随着时空变化动态性以及协同作用的整体性。在该隧洞开挖第20天时，隧洞顶板以及中部围岩的位移开始保持稳定，总共开挖时间为80 d左右，因此距洞口距离为已开挖长度的1/4左右。

5 结论

本文通过数值模拟建立仁遵高速公路小窝凼隧道开挖、支护模型，结合工程现场实测数据，探究开挖过程以及初期支护的条件下，围岩和锚杆的受力状态及其时间效应，得出以下结论:

(1)初期支护结构对围岩压力起到了协调变形与共同支撑的作用，对于施工安全带来了重要保障，由数值模拟结果以及现场隧道监测验证了小窝凼隧道初期支护锚杆受力中的“中性点理论”。

(2)根据监测结果，隧道围岩变形均呈现出“开始变形－变形加速－变形缓慢－变形趋稳”的单调递增趋势；“支护－围岩”作用体系的演化过程具有时空变化的动态性以及协同作用的整体性。

(3)随着开挖进行，锚杆的轴力值呈现“先增加、后稳定”的趋势，顶部锚杆与中帮锚杆的变化趋势一致。

(4)加强隧道开挖过程中围岩以及支护结构的应力－变形监测工作，做到勤量测，及时整理监测数据，分析数据变化规律，科学、准确地评价支护结构的安全性以及稳定性，为隧道的安全施工提供保障。