近水平岩层状围岩公路特长隧道支护参数优化研究

罗袁羲　彭文辉　张美琴　彭坤

【摘    要】： 考虑近水平岩层拱顶及拱墙处的破坏特征存在明显的差异，对近水平岩层隧道的破坏特征进行研究；采用数值计算及监测反馈的方法，考虑爆破对围岩及结构面的劣化作用，分析隧道各个部位的位移、锚杆轴力等数值，提出近水平岩层优化方案。研究结果表明，近水平岩层深埋硬岩隧道，可取消拱墙部位的锚杆，仅在拱顶范围设置，可节省系统锚杆约40%的工程量，能够节约资金和保证安全，同时也缩短了工期。

【关键词】： 近水平岩层；公路；特长隧道；支护参数

【中图分类号】：U451.2【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）05-31-05

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.05.008

Optimization Study of Support Parameters for Long Highway Tunnels in Close Proximity to Horizontal Layered Rock Masses on Highways

LUO Yuanxi PENG Wenhui ZHANG Meiqin PENG Kun

（1.China Railway Yibin Investment and Construction Co. Ltd.，Yibin 644000， China；2.China Railway Liuyuan Group Co. Ltd.，

Tianjin 300308， China）

【Abstract】：Considering distinct differences exist in the failure characteristics at the arch crown and sidewall of such rock formations. Through the study of failure characteristics in tunnels with nearly horizontal rock strata， numerical calculations， monitoring feedback methods， and the consideration of the deteriorative effects of blasting on surrounding rock and structural planes were employed. This analysis evaluated various parameters， such as displacements and axial forces of anchor rods， to propose an optimized approach for tunnels in nearly horizontal rock strata. The research result indicates that for deeply buried hard rock tunnels with nearly horizontal strata， it is feasible to eliminate anchor rods in the sidewall area and only install them within the arch crown zone， resulting in approximately 40% reduction in anchor rod quantity， thereby saving costs and ensuring safety while also shortening the construction period.

【Key words】：close horizontal rock strata；long highway tunnel；support parameters

自然界中具有层状构造的沉积岩约占陆地面积的2/3，水平层状围岩大量分布，在高速公路隧道建设中经常遇到水平层状围岩，由于具有层状结构，岩体变形及强度性质具有明显的各向异性，岩体的破坏方式及破坏形态很大程度取决于结构面及岩石裂隙发育情况[1]。工程实践中，Ⅲ级水平岩层围岩隧道拱顶掉块及模塌方时有发生，给隧道施工带来了严重的安全隱患；因此，完善水平岩层支护参数，进行针对性设计，对保证安全施工、提高围岩稳定性及节约投资具有重要意义[2～3]。

近年来，爆破对围岩的损伤是工程领域研究的热点。理论研究认为爆炸导致岩体损伤的主要原因是应力波的传播、反射及相互之间的作用使岩体的裂纹激活、扩展；宏观上损伤力学理论将岩体视为具有原始缺陷的连续材料，即岩体是包括很多裂隙的连续体，损伤可以看作由于爆炸作用使原有裂隙张开、扩展，从而导致岩体力学性能的“劣化”。本文针对近水平围岩结构特性，依托宜威高速上罗特长隧道工程，采用数值模拟计算结合现场监测数据反馈的方法，考虑爆破施工对围岩的损伤作用，分析近水平围岩隧道变形、锚杆轴力等特征，提出系统锚杆支护优化方案，论证优化方案合理性。

1 工程概况

上罗隧道为双向行驶的双洞四车道高速公路隧道，设计速度80 km/h，左右洞长度分别为7 066、7 032 m。隧道主要穿越三叠系强风化～中风化泥质粉砂岩，薄层～中厚层状构造，岩体较破碎～破碎，平均单轴饱和抗压强度30.6 MPa；三叠系强风化～中风化泥岩，薄层状构造，岩体破碎，平均单轴饱和抗压强度24.5 MPa；三叠系强风化～中风化灰岩，薄层～中厚层状构造，岩体较破碎～破碎，平均单轴饱和抗压强度35.6 MPa；三叠系强风化～中风化泥质灰岩，薄层～中厚层状构造，岩体较破碎～破碎，平均单轴饱和抗压强度26.2 MPa。Ⅲ级围岩长度2 420 m、Ⅳ级围岩长度3 258 m、Ⅴ级围岩长度1 388 m。

工程区主要发育2组优势节理，分别为：①产状，100°～110°∠60°～84°，密度约3～5条/m；②产状，310°～330°∠50°～80°，密度约2～5条/m。隧道区地下水主要为基岩裂隙水，构造相对较少发育、含水量较贫乏，开挖后，隧道洞壁干燥，局部地段潮湿。

2 隧道初期支护参数优化

原隧道支护参数分别选取主洞Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩深埋衬砌类型。见表1。

锚杆的具体优化方案：

1）Ⅲb型衬砌取消拱顶120°范围外的系统锚杆，拱顶±30°范围内采用短锚杆，拱顶±30°～±60°采用长锚杆并增加超前支护，钢架及二衬参数保持不变，见图1；

2）Ⅳb型衬砌拱顶120°范围外的系统锚杆，拱顶±30°范围内采用短锚杆，拱顶±30°～±60°采用长锚杆，钢架及二衬参数保持不变，见图2；

3）Ⅴb型衬砌拱顶130°范围外的系统锚杆，拱顶±35°范围内采用短锚杆，拱顶±35°～±66°采用长锚杆，钢架及二衬参数保持不变，见图3。

3 数值模拟计算

当前，对岩体爆破损伤范围的研究主要是基于损伤理论，通过数值模拟来讨论不同爆破条件下岩体的损伤状态。根据已有的损伤模型，在损伤度D达到1时，岩体处于完全破碎状态。当爆前爆后波速降低率＞10%时，即判定岩体受到爆破损伤破坏，其对应的损伤度D的损伤阈值为0.19。当损伤度D＜0.19时，认为岩体损伤较轻或未受损伤。在钻爆条件下，炮孔附近岩体处于完全破碎状态（D=1）并与基岩分离，属于可开挖岩体；而随着爆生裂纹沿着炮孔径向扩展，裂纹密度逐渐减少，岩体逐步趋于无损状态（D＜0.19），成为保留岩体[4]。

岩体损伤通常被定义为岩体性质的劣化，表现在岩体强度、黏聚力、完整性、声波速度等方面，风化、地质运动、地震及爆炸等外界作用均会造成岩体的损伤。根据岩体损伤理论，岩体结构中存在着大量的微裂纹，爆炸荷载会激活岩体结构中的微裂纹成为活化裂纹，随着活化裂纹聚集扩展，形成宏观爆生裂纹，造成岩体物理和力学性质的降低。在表征岩体性质劣化程度上，通常采用的指标是损伤度D。岩石中的原生细微裂纹，与晶粒属于一个数量级，岩体性质劣化是由被激活的裂纹所引起的，裂纹数服从双参数的威布尔分布。根据损伤理论，则损伤状态下的等效弹性模量[E]与损伤度D的关系为

E=（1-D）E （1）

式中：E为无损状态的弹性模量；[E]为损伤状态的等效弹性模量。

损伤状态下的等效黏聚力[c]与损伤度D的关系为

c=（1-D）c（2）

式中：c为无损状态的黏聚力；[c]为损伤状态的等效黏聚力。

假定爆破前后岩体的密度、泊松比、内摩擦角近似相等。

搜集国内外有关项目的声波实测数据，统计临界破碎状态岩体的损伤度并最终确定其损伤阈值Dt为0.75～0.85[5]。

为评价优化方案的合理性，计算使用迈达斯GTSNX有限元软件，采用Mohr-Coulomb本构模型，爆破对岩体及结构面的削弱作用范围取0.7倍的洞泾，损伤度D取0.8。从围岩变形、锚杆轴力等分布情况分析优化前与优化后的差异。

3.1 计算模型

根据设计文件及地质条件，分别取Ⅲb、Ⅳb、Ⅴb型衬砌进行二维地层结构模型计算，对计算剖面定义了地质概化模型及有限元计算网格。见图4。

计算参数见表2和表3。

3.2 计算结果

近水平岩层隧道变形主要以竖向沉降为主，水平位移较小，拱墙部分锚杆轴力明显较拱顶小；取消拱墙锚杆后，位移及锚杆轴力小幅增加，但变化不明显。见图5和图6。

数值模拟结果表明，隧道开挖过程中采用支护优化后的方案可行，可以保证施工安全。

4 优化方案的监测

为验证所优化方案的合理性，施工过程中分别在Ⅲ、IV、Ⅴ级围岩主洞深埋隧道断面进行了多点位移及锚杆轴力监测。多点位移在掌子面开挖1～2周内收敛，拱顶沉降较拱腰变形明显要大，与数值模拟计算基本吻合；锚杆轴力在掌子面开挖后1～2周内区域稳定，锚杆轴力拱顶较大，拱腰对比拱拱顶明显要小。见图7-图9。

实测结果比模拟计算结果偏大，可能是因为爆破装药量较大，造成的围岩损伤度偏大，爆破对围岩的劣化作用比预期强。

5 結论与建议

数值模拟结果及监测反馈均显示，拱墙处的锚杆轴力很小，Ⅲ、IV、Ⅴ级围岩可优化系统锚杆仅在拱顶120°～130°范围设置，采用长短锚杆区别设计，拱顶60°范围采用短锚杆，60°范围外采用长锚杆；不但能够节约资金、保证安全，同时也缩短了工期。

所研究隧道围岩为近水平岩层，薄层～中厚层构造，岩层属于较坚硬岩、结构面胶结较好、黏聚力较大，拱顶不会发生离层破坏，拱肩处拉应力较大，在爆破作用下，围岩及结构面劣化严重，容易出现离层破坏，建议在爆破设计时，适当减少掏槽眼装药量，控制粉碎区范围，避免掉块及超挖现场发生。

参考文献：

[1]梅松华.层状岩体开挖变形机制及破坏机理研究[D].武汉：中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所），2009.

[2]冯文凯，石豫川，王兴平，等.高速公路隧道水平层状围岩支护优化[J].中国公路报，2009，22（2）：65-70.

[3]常伟. 高速公路隧道水平层状围岩锚杆支护参数优化研究[J].国防交通工程与技术，2013，11（2）：60-64.

[4]刘永胜，朱思源，杨小林，等.多次爆破对大跨度硐室围岩的损伤累积及松动圈范围研究[J].爆破，2022，39（1）：9-15+35.

[5]刘亮，卢文波，陈明，等.钻爆开挖条件下岩体临界破碎状态的损伤阈值统计研究[J].岩石力学与工程学报，2016，35（6）：1133-1140.