高地应力软岩大变形隧道单双层初期支护结构力学特性研究

摘要：为了研究高地应力软岩大变形隧道适宜支护方案，文章以华丽高速公路东马场1号隧道为例，基于FLAC 3D软件开展数值模拟，对比分析了单双层初期支护两种支护方案下的洞周围岩变形与支护结构力学特性。结果表明：采用双层初期支护能有效地降低隧道洞周围岩位移，其中隧道变形较大的拱顶部位沉降量减小了13.67%；双层初期支护的施作让第一层初期支护更好地发挥了承载作用；双层初期支护大幅度减轻了二次衬砌的受力，有效地保障了高地应力偏压软岩大变形隧道的施工与长期运营的安全性；针对高地应力软岩大变形隧道宜采用双层初期支护的支护方案。

关键词：公路隧道；软岩大变形；双层初支；力学特性；数值模拟

中图分类号：U455.7" " " 文献标识码：S" " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.028

文章编号：1673-4874（2024）11-0089-04

引言

在我国中西部地区的各类基础设施建设如火如荼的开展过程中，大量公路也投入了建设。但西部地区地质条件复杂，广泛存在软岩地层，该地层具有强度低、对施工的干扰敏感、变形发展速度快的特点，导致软岩大变形问题通常发生在高地应力条件下的隧道［1-4］。软岩大变形常常会导致支护结构出现开裂破坏严重的现象［5-8］，进一步增加施工难度、产生质量问题，并危及隧道的施工和运行安全［9-11］。因此，开展高地应力软岩隧道的支护结构力学特性的深入研究是十分有意义的。

支护结构在控制洞周围岩变形与调整围岩受力等方面发挥着重要的作用，诸多学者针对支护结构设计开展了大量研究。韩常领等［12］提出施做双层初期支护后，支护结构和洞周围岩的协同变形更加匀称；王万平等［13］依托木寨岭隧洞实际工程，根据数值模拟与现场试验相结合的成果，优化了基于主动支护的初期支护体系；马栋等［14］总结归纳丽香铁路、玉磨铁路和成兰铁路等多个高地应力软岩隧道的施工经验，提出考虑预留变形量、采用双层初期支护和锚杆共同支护可以有效地改善初期支护强度，可以有效地抑制大变形；郑可跃等［15］依托玉磨铁路万和隧道，通过多工况比选及现场观测，得出在第一层初期支护变形达到一定程度后施作第二层钢拱架，能够起到控制围岩变形的作用。

依托大量的工程实践，众多学者在隧道支护结构体系等方面都已经开展了一系列的研究并取得了一定成果。但随着我国西部地区高速公路隧道建设的深入开展，越来越复杂的地质条件对隧道建设提出了更高的要求，至今仍然没有建立起一种科学实用并且行得通的技术保证系统。综上，本文依托华丽高速公路东马场1号隧道，采用有限差分数值模拟的研究方法，开展了高地应力软岩大变形隧道单双层初期支护结构力学特性的研究，有关成果可对我国西部山区即将修建的相关隧道的建设和运营有一定的参考和借鉴意义。

1工程背景

东马场1号隧道是华坪至丽江高速公路的一项控制性工程。隧道长度为5 210 m，最大埋深为613 m。隧道区海拔高程为1 870～2 512 m，相对高差为643 m。隧道区位于构造剥蚀断块高山地貌区，纵断面如图1所示。隧道先后穿越侏罗系下统冯家河组f1）与泥盆系中统碳山坪组D12）地层，地形崎岖且多基岩出露，软岩占比较大，其中Ⅳ级、Ⅴ级围岩占比高达68.9%，泥岩和灰岩占主导地位，其特点是岩体强度偏低，流变显著。

在施工过程中，隧道出现了明显变形及结构破坏问题，如初期支护侵限剥落，钢拱架的折叠断裂，二次衬砌开裂以及仰拱隆起破坏等，如下页图2所示。隧道洞周围岩在初期时变形速率与变形量较大，收敛困难、持续变形的时间长，并且在钢拱架失效之后，隧道洞周围岩变形在停工期仍然存在扩大趋势。

东马场1号隧道研究区段的围岩以灰岩和泥岩为主。公路隧道相关规范中并没有明确对围岩大变形进行分级，因此参考《铁路隧道设计规范》TB 10003-2016）表1）［16］，对围岩大变形的分级按照围岩的强度应力比值Rb/σmaxRb为围岩强度、σmax为最大地应力，如表2所示）进行划分，故确定选定研究区段按照Ⅲ级大变形强烈大变形）进行处治设计。

未开挖段的开挖工法采用三台阶法施工，支护结构采用双层初期支护，如图3所示。

2数值模型的建立

2.1计算参数

隧道典型断面的边界应力具体数值如表3所示，其中y方向为隧道轴线方向。

2.2数值模型

为研究分析高地应力软岩大变形隧道单双层初期支护结构力学特性，通过收集资料和现场调研，以FLAC 3D软件模拟实际地应力情况下，采用单层初支、双层初支两种初期支护模式，如图4所示。

为满足圣维南定理，降低模型边界条件对计算结果的干扰，模型边界与隧道洞身距离宜大于三倍洞径，因此，以隧道中轴线为基线，上下左右各距60 m设定模型边界，纵向长度为60 m，边界尺寸为120 m）长×60 m）宽×120 m）高，如图5所示。

模拟以三台阶法进行开挖，开挖进尺为1 m。在模拟隧道开挖的计算过程中，利用FLAC 3D软件中的空单元模拟山岭隧道的开挖，并假设隧道围岩是符合Mohr-coulomb屈服准则的各向同性理想弹塑性体。初期支护厚度为31 cm，二次衬砌厚度为70 cm。土体设置为均质弹塑性材料，并采用Mohr-Coulomb强度准则的弹塑性本构模型。围岩、初期支护与二次衬砌使用实体单元，锚杆使用cable单元。

在数值模拟计算过程中，提取隧道洞周围岩位移、第一层初期支护应力、第二层初期支护应力与二次衬砌应力结果，对隧道采取单双层初支下的围岩变形与支护结构受力进行分析。通过对比计算结果为现场施工提供参考。监测断面取数值模拟中隧道中间位置即y30 m的截面），选取拱顶、左右拱肩、左右拱腰、左右拱脚、拱底共计8个监测点，其布置如图6所示。

3单双层初期支护力学特性研究

3.1洞周围岩变形分析

提取采用单双层初期支护下开挖模拟计算完成后的各监测点围岩随开挖步的位移变化时程曲线，如图7所示。

数值模拟过程中记录了各测点的隧道洞周围岩位移。从图7可以看出，模拟结果显示隧道拱顶和拱底的位移较大，水平位移方面呈拱腰gt;拱脚gt;拱肩的分布规律，即下台阶水平位移大于上台阶水平位移，越靠近隧道下部洞周围岩变形越大的趋势。

双层初期支护的施作有效地限制了围岩位移。从竖向位移来看，隧道拱顶沉降变化量最为明显，双层初期支护与单层初期支护相比，隧道拱顶沉降减少了13.67%；隧道仰拱隆起减小了6.37%。从水平位移来看，呈现下台阶水平位移最大，上台阶水平位移最小的趋势，双层初期支护的施做对上台阶水平位移的影响最大，拱肩收敛减小量达到了7%左右，拱腰收敛与拱脚收敛减小量分别为6%、4%左右。

综上所述，在相同地层与初始应力条件下，双层初期支护的施做能够有效地降低隧道洞周围岩位移和发生灾害的可能性，确保隧道开挖施工的安全与可靠。

3.2初期支护受力分析

通过数值模拟得知初期支护处于受压状态，因此分别提取单层初期支护下的初期支护，以及双层初期支护下第一二层初期支护各监测点的最小主应力，如图8所示。

由图8可知，当采用单层初期支护时，初支中拱顶、拱肩、拱腰处所受的压力比较大，最大压应力出现在拱顶，约为12.64 MPa。当采用双层初期支护时，第一、二层初期支护均承受压应力。第一层初期支护中最大压应力出现在拱顶，约为23.14 MPa；第二层初期支护中最大压应力也出现在拱顶处，约为24.53 MPa。

为更直观地对比单双层初支中支护结构力学特性差异，汇总两种支护方案下第一层初期支护的最小主应力值，如图9所示。

从图9可以看出，初期支护以受压为主，采用双层初期支护时，拱顶、拱肩、拱腰以及拱底处应力增幅较大。拱顶处的应力相较采用单层初期支护时增大了83%；拱肩处的应力增大了71%；拱腰处的应力增大了95%；拱底处的应力增大了66%。由此可知，当采用双层初期支护时，第一层初期支护所承受的应力有较大幅度的增加，说明在这种情况下能够让第一层初期支护充分地发挥支护作用，避免第二层初期支护承受的应力过大，对隧道的施工开挖更为有利。

3.3二次衬砌受力分析

分别提取单双层初期支护下的二次衬砌的最小主应力，如图10所示。

由图10可知，和初期支护不同，单层初期支护下的二次衬砌承载一定的拉应力，二次衬砌拱底处拉应力最大达到了3.25 MPa，最大压应力出现在左拱肩处，为8.84 MPa。而在施做双层初期支护的情况下，二次衬砌均承载压应力且最大压应力出现在右拱脚位置，达到4.25 MPa。

由于二次衬砌并非各位置均承载压应力，因此取应力的绝对值并绘制单双层初期支护下二次衬砌最小主应力对比图，如后页图11所示。

从图11中可以看出，采用双层初期支护时，二次衬砌拱顶处的应力相对于采用单层初期支护时减小了52%；拱肩处的应力减小了65%；拱腰处的应力减小了[K0.13mm]58%；拱脚处的应力减小了44%；拱底处的应力减小了90%。可见当支护体系采用双层初期支护时，大幅度地减轻了二次衬砌的受力，降低了二次衬砌发生开裂病害的可能性。

综上，综合对比围岩隧道洞周围岩位移与支护结构力学特性，采用双层初期支护的洞身支护，不仅有效地降低隧道洞周围岩位移，尤其是隧道变形较大的拱顶部位，而且双层初期支护的施做让第一层初期支护更好地发挥了承载作用，大幅度减轻了二次衬砌的受力，有效地保障了高地应力偏压软岩大变形隧道的施工与长期运营的安全性，因此采用双层初期支护的洞身支护在此类破碎软弱围岩地层条件下适用性较高。

4结语

本文依托华丽高速公路东马场1号隧道工程，通过现场调研并结合数值模拟，分析了高地应力软岩大变形隧道单双层初期支护结构力学特性，得到的主要结论如下：

（1）施作双层初期支护能有效地限制围岩位移。隧道竖向位移变化量最为明显，施作双层初期支护后隧道拱顶沉降减少了13.67%；同时拱肩收敛减小了7%左右，拱腰收敛与拱脚收敛分别减小6%、4%左右。

（2）初期支护以受压为主，施作双层初期支护后，第一层初期支护所承受的应力增大66%～83%，充分地发挥支护作用，避免第二层初期支护承受的应力过大。

（3）单双层初期支护下的二次衬砌分别主要承担拉应力与压应力，且采用双层初期支护后二次衬砌承担应力减小40%～90%，大幅度地减轻了二次衬砌的受力，降低了二次衬砌发生开裂病害的可能性。

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基金项目：中建股份科技研发计划资助项目“穿越程海活动断高地应力偏压破碎软岩隧道施工及营运关键技术研究”编号：CSCEC-2021-Z-26）

作者简介：李皓1981—），硕士，高级工程师，主要从事公路工程、隧道工程工作。

收稿日期：2024-05-18