浅埋围岩隧道支护方式对比研究★

鲁云芳，张嘉乐

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

1 概述

近年来，我国对于隧道的需求量不断增大，隧道建设成为基础建设中不可缺少的一部分。隧道工程的建设不仅能够缓解城市交通的压力[1]，同时还能够改善边远地区交通状况，从而改善偏远地区的经济状况，带动偏远地区经济发展。隧道工程大部分修建在城市地下区域或者山区，因此隧道周边岩土体情况一般比较复杂，施工和支护时候，遇到的不确定因素较多，施工可能遇到的困难和需要考虑、解决的问题较多，如何在一些复杂的地质条件下保证隧道的安全性和稳定性是一个重要的研究方向。

如何保证隧道工程的开挖稳定性以及保证隧道在使用过程中的安全性，主要取决于隧道采用的支护方式。目前我国隧道的支护方式主要有喷射混凝土支护、锚杆支护、超前管棚支护、钢拱架支护和多种支护方式联合支护等[2]。锚杆支护[3-4]作为主要的地下工程支护手段，被大规模应用于地下工程建设过程中。经研究发现锚杆的材质、长度、间排距、锚固长度和预应力等因素决定了锚杆的支护效果，众多学者对此进行了很多研究，得到了较为完备的锚杆支护技术，解决了众多地下工程的支护难题[5]。但是随着隧道建设的逐渐复杂，传统的支护方式已经不能达到隧道施工和使用要求，引入新的支护成为必然。

钢管混凝土最初主要用于桥梁和高层建筑物，而高延法[6]团队成功把钢管混凝土支架应用到了地下工程的建设当中，并且取得了较好的效果，同时他们还对钢管混凝土支架的力学性能和支护效果进行了实验分析[7-8]，得出钢管混凝土支架是一种承载力较高，支护效果好的支护材料，并且很好地应用到了隧道建设当中。

2 工程概况及数值模型建立

白家梁隧道位于燕山地区，根据工程地质测绘及钻探揭露，隧道区域地层为安山岩、凝灰质砾岩，总体地形起伏较大，但是未见滑坡等迹象，隧道区多以凝灰质砾岩为主，该岩体遇水易软化，整体性相对较差。隧道选址区域整体稳定性较好，隧道右幅长911 m，左幅长836 m。其中S-1标段隧道右幅长456 m，左幅长418 m。本隧道最大埋深68.1 m，属于浅埋隧道，隧道断面见图1，在开挖施工过程中产生岩爆的可能性极小。隧道通过段土体为凝灰质砾岩岩体，不含有害气体的矿产，施工过程中不会产生有毒气体和瓦斯逸出或爆炸。

数值模型尺寸为X=65 m，Y=10 m，Z=65 m，隧道位于模型正中央，其半径为5.88 m，仰拱半径为15.26 m，周围有厚度为0.45 m的喷射混凝土，如图2所示。根据白家梁隧道的实际情况(见图3)，数值模拟共涉及两个地层，数值模型上下两侧为安山岩，中间为凝灰质砾岩，隧道全部位于凝灰质砾岩岩层中。数值模拟的本构模型选定为Mohr-Coulomb模型，边界条件设定为平面应变，模型的前后左右采用水平约束，底部固定，顶部为自由边界。初始应力场为重力场，模型在重力的作用下开始沉降，并作用于隧道支护系统，当不平衡力比达到10-5时计算收敛。

3 支护方案

针对白家梁隧道的实际情况，主要设计两种支护方案(见图4)。利用前述所建立数值模型，检验设计的支护方案效果，并进行对比：

方案一:注浆锚杆和工字钢钢架联合支护，采用RD25N型普通中空注浆锚杆，长3.5 m，纵向间距750 mm，环向间距1 000 mm；Ⅰ18工字钢钢架，纵向间距750 mm；衬砌为450 mm的喷射混凝土。

方案二:注浆锚杆和钢管混凝土支架联合支护，用钢管混凝土支架替换工字钢钢架。选取钢管尺寸为φ168×3 mm钢管混凝土代替原方案的工字钢。具体支护参数见表1。

通过FLAC3D软件，模拟隧道在工字钢和钢管混凝土两种不同支护材料支护条件下，隧道的支护效果，通过对隧道变形、围岩应力以及支护结构的受力和变形进行分析，从而得出结论。

表1 支护参数

4 数值模拟分析

4.1 隧道围岩位移对比分析

围岩竖向位移变化特征见图5。根据图5可知，隧道开挖后，围岩原有应力状态被打破，围岩产生变形。由图5(a)得出，无支护开挖，隧道顶板下沉量为13.24 mm，底板隆起量为12.16 mm，顶底板接近量共25.4 mm；左右帮竖向位移远小于顶板位移。如图5(b)所示，支护后隧道顶板最大位移为9.66 mm，底板隆起量约为9.29 mm，接近量为18.95 mm。使用工字钢支护时，隧道竖向位移主要集中在隧道顶、底板处，隧道左右帮基本不存在竖向位移。钢管混凝土支架支护下，隧道围岩竖向位移云图如图5(c)所示，使用钢管混凝土支架支护后，隧道围岩位移得到了较好的改善，隧道顶板最大位移减少为9.58 mm，底板隆起量约为9.16 mm，顶底板接近量为18.74 mm。

采用工字钢或钢管混凝土支架支护，围岩支护效果较为明显，尤其是底部隆起现象得到了明显改善。采用工字钢支护，隧道顶板变形量优化了27.04%，底板隆起量减小了23.6%；钢管混凝土支架支护使得隧道顶板最大位移减少了27.64%，底板隆起量约改善了24.67%，整体上看，钢管混凝土支架支护对改善隧道竖向位移的效果较好。

围岩水平位移云图如图6所示。从图6(a)可以发现，开挖后，隧道左右帮围岩受水平位移影响的区域范围较大，两帮处水平位移对称分布，位移量大致相等，约为5.4 mm～5.5 mm，隧道顶板和底板中部基本不存在水平位移；隧道拱肩处的水平位移影响范围和数值比下部分区域大；离隧道开挖面越近，围岩位移越大。工字钢支护隧道左右帮收敛量约为8.95 mm，隧道水平位移主要集中在隧道拱肩区域，整体位移水平较低。钢管混凝土支架支护隧道，左右帮水平位移约为4.35 mm，减小程度不明显。支护后隧道的水平位移较大区域主要集中在隧道拱肩位置，支护后隧道水平位移影响区域和水平大范围减少。

隧道开挖产生的水平位移整体较竖向位移要小得多，支护后水平位移变化不太明显。但从整体来看，钢管混凝土支架的支护效果比工字钢的支护效果要更有效一些。

4.2 隧道围岩应力分析

图7为围岩竖向应力云图。由图7(a)可知，隧道开挖后围岩竖向应力呈左右对称分布，应力水平较低，影响范围大，应力集中现象明显。竖向应力对两帮的作用大于顶、底板处，使得两帮处竖向应力最大；根据图7(b)和图7(c)可知，工字钢支护和钢管混凝土支架支护都能够改善隧道围岩的应力状态，提高围岩应力水平，减少应力影响区域，使隧道周边围岩的受力更均匀。

隧道围岩的水平应力云图见图8。由图8(a)可得，无支护隧道整体应力水平较低，应力集中区域较小，围岩整体应力水平较竖向应力来说更为均匀。无支护隧道在水平应力作用下，在顶部、左右帮和隧道底角区域内出现应力集中现象，顶板和底角区域的水平应力明显比帮部区域水平应力大；且隧道底板处的水平应力集中区域远比顶板区域小。支护后，隧道围岩水平应力状态得到改善，围岩应力水平提高，支护后应力值较大的位置多出现在隧道内部衬砌区域，围岩区域应力分布均匀。

隧道围岩剪切应力的分布状态不能通过竖向应力和水平应力的分布特征来体现，故对围岩的剪切应力也进行了分析。图9为围岩的剪切应力云图。无支护条件下，隧道围岩的剪切应力形成应力等值圈，两帮处剪切应力数值最大，底板处剪切应力值与帮部和顶板处相比数值较小。模型的剪切应力分布范围较广，且分布不均匀；使用工字钢和钢管混凝土支架支护后，隧道围岩剪切应力集中范围比无支护时候减小很多，除去隧道内部衬砌处的剪切应力值较大外，隧道周边围岩剪切应力值显著减小，且整体剪切应力水平较低，分布更均匀。这两种支护方式既能够降低隧道围岩的剪切应力集中程度，又能够在很大程度上改善围岩的受力状态。

图10为最大主应力云图。如图10(a)为无支护最大主应力云图，隧道开挖工作面处于主应力降低区域，应力值基本一致。隧道底角处最大主应力值与隧道内表面相比应力值较大；模型整体应力对称分布，深部围岩应力值比隧道周边围岩应力值大，并且在距离隧道底板处约10 m的位置出现应力集中。根据图10(b)和图10(c)来看，工字钢和钢管混凝土支架支护能够很好地减少主应力影响区，使得隧道周边围岩整体区域的最大主应力分布均匀，不出现应力集中现象。

4.3 支护构件受力分析

数值模拟计算过程中，工字钢和钢管混凝土支架使用Beam单元模拟，其轴力图如图11所示。如图11(a)所示，工字钢轴力整体水平较高，支护时两帮处支架轴力较大，支架顶、底部位的轴力较帮部小很多，底板处支架轴力最小。支架右帮接近底角位置处出现轴力集中现象，该处轴力值最大；使用钢管混凝土支架支护时，支架轴力水平整体较工字钢支架轴力水平低，分布状态与工字钢相似。钢管混凝土支架轴力最大值集中在帮部圆弧段内，底板处轴力最小，但是钢管混凝土支架整体受力较工字钢来看更加均匀。

工字钢支护时，锚杆的轴向应力分布如图12(a)所示。锚杆轴力最大值为2 119.1 kN，受力较大的锚杆主要集中在隧道顶部围岩区域内，深部围岩区域内的锚杆所受轴力与之相比较少。钢管混凝土支架支护时，锚杆的轴向应力分布如图12(b)所示。锚杆轴力最大数值为2 084.7 kN，主要集中在隧道顶部和部分帮部周边围岩区域。对于分布相对较深的围岩，锚杆所受轴力较小。

根据数值模拟结果分析可知，无支护开挖时，隧道周边围岩受应力影响区域大，围岩变形明显，顶板下沉量和底板隆起量较大，但是由于岩土体性质较为稳定，开挖后塑性区分布范围较小。

采用工字钢进行支护时，模拟得到的隧道顶底板接近量约为18.95 mm，较无支护来说减小了约25.39%；采用钢管混凝土支架支护时，隧道顶底板接近量从无支护时的25.4 mm减小到18.74 mm，改善约26.22%，钢管混凝土支架对竖向位移的改善作用较好一些。隧道开挖产生的水平位移整体较竖向位移要小得多，支护后水平位移变化不太明显，但大致呈减小的趋势。从整体来看，对于改善围岩变形钢管混凝土支架支护比工字钢支护的结果要更有效。

工字钢支护和钢管混凝土支架支护后隧道围岩的应力分布规律基本相同，这两种不同的支护方式都能够较好的改善隧道围岩应力状态，提高围岩应力水平，减少应力集中，使围岩应力分布均匀。

工字钢和钢管混凝土支架的支架轴力都集中在支架帮部圆弧段内，顶部支架和底部支架处的轴力相对帮部轴力较小。钢管混凝土支架支护时，支架轴力比工字钢支护时候小，但是钢管混凝土支架的支架轴力分布范围比工字钢支护更均匀，表明了钢管混凝土支架支护时支架受力比工字钢支架更均匀。对于锚杆轴向拉应力，使用钢管混凝土支架支护时比使用工字钢支护时小，顶部锚杆比帮部锚杆所受拉应力大。

5 结语

论文以白家梁隧道为工程背景，建立了三维数值模型，分析了工字钢支护及钢管混凝土支架支护作用下隧道围岩的变形特征，得出以下结论：

1)不同支护方式下，钢管混凝土支架对隧道围岩变形的控制作用明显较好；尤其是对隧道竖向位移变形，钢管混凝土的控制效果作用明显。

2)不同支护方式下，采用钢管混凝土支架支护时，隧道围岩所受到的支护力更加均匀，因此支护效果相对较好；同时钢管混凝土支护时，锚杆所受到的作用力相对较小，整个支护系统所受力更为均匀。

3)结合施工工艺、施工成本等多个方面来看，钢管混凝土支架所用材料成本较低，性价比更高，工艺流程更为简单，因此在实际施工过程中，应尽可能地选取低成本、高性价比、支护效果最优的钢管混凝土支架对隧道进行支护。