软岩大变形隧道换拱段衬砌结构安全性分析

摘要：为解决软岩隧道大变形侵入问题，文章以云南某高速公路软弱围岩下穿大断裂带隧道为研究背景，采用CAD-ANSYS-FLAC 3D软件建立三维模型，分析二次衬砌在有无横撑及不同二衬厚度4种支护方案下的隧道围岩变形、结构受力及二衬安全系数，研究了软弱围岩环境下不同支护方案对隧道施工全过程稳定性的影响。结果表明：软岩环境下，隧道拱脚处易形成应力集中现象，施工时应增设锁脚锚杆（管），使初期支护更好地与围岩密贴，形成共同受力体，保障施工安全；增加横支撑，能改善结构受力情况，使结构整体性增强，增加了结构稳定性；二衬厚度的增加能够改善结构受力情况，但对围岩及结构整体影响较小。

关键词：软岩隧道；二次衬砌横支撑；变形特征；数值模拟

中图分类号：U455.91" " " " 文献标识码：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.054

文章编号：1673-4874（2024）11-0183-04

0引言

近年来，我国交通运输业发展迅速，在西部尤其是西部山区，地形条件复杂，长大隧道广泛分布，不可避免地遭遇大量软岩地层。该类岩体强度低、岩体破碎，施工过程中稍有不慎则容易出现大变形问题，隧道的支护措施应考虑地应力释放与支护的平衡，使其既有足够阻力限制围岩塑性区的发展，又有一定的可让性以适应围岩的变形［1］。若总变形量超过正常施工预留变形量就必须拆换初期支护，不仅影响施工进度，还会造成较大的施工安全隐患，危及人员及设备安全。黄婷等［2］对其隧道拆除施工过程中的各种拆除及安全保障措施等关键技术进行研究，并总结出相应处治措施，为后续类似条件下的扩建隧道拆除施工提供参考。王明江等［3］从初支变形应急措施、换拱可行性论证及局部换拱施工等方面提出洞内抢作二衬及临时支撑等措施有效控制了围岩变形。叶康慨［4］为解决极高地应力作用下的隧道大变形问题，应用围岩径向注浆加固等措施，对挤压变形开裂的衬砌予以拆除，重新施作二次衬砌。徐松［5］针对薄层状炭质泥岩夹砂岩的大变形问题，从台阶长度、高度、主要的技术措施以及施工组织措施等方面提出了增加纵向型钢支护及全环径向注浆加固等措施，有效控制了围岩变形。

目前对控制软岩变形措施的研究，多以增加临时支撑、拆换拱为主，而二衬施作横支撑者较少。本文以云南某隧道拆除重置段为实例，分析二次衬砌有无横支撑及二衬厚度对围岩变形及结构受力情况的影响。

1工程概况

云南某高速公路隧道围岩等级为Ⅴ级，隧址区程海-宾川断裂带呈强风化（碎石）状，局部碎块状，裂隙发育，岩体破碎、软弱，围岩易坍塌。岩性为泥岩、泥质粉砂岩、砂岩、石英砂岩、砾岩、灰岩、白云质灰岩，裂隙纹理发育，呈碎块状，稳定性差。

根据设计资料及超前地质预报资料显示，隧址区内程海-宾川断裂带与隧道相交于K72+164（左幅ZK72+150），呈41°夹角，该断裂为全新世活动断裂、发震断裂，对隧道影响较大，如图1所示。断层两侧泥质砂岩夹石英砂岩体及灰岩夹白云质灰岩体极破碎，呈散体状结构、碎石状。围岩级别为Ⅴ级围岩，由于初始设计为SDsf-1型衬砌支护，施工过程中发生了严重的大变形病害。经过现场地应力、松动圈测试以及围岩变形监测，现场地应力达到19.7MPa，松动圈约为7～12 m，围岩变形＞1 m，综合判定该隧道断层影响区内为强烈大变形段。

隧道受全新世活动的程海-宾川断裂带影响，变质泥岩、变质灰岩等软岩区段在高地应力场环境下出现了严重大变形问题。仰拱累计最大隆起170 cm，拱顶累计最大沉降156 cm，周边收敛累计139 cm。采取单层强支护措施，隧道结构出现了初支开裂剥落、拱架扭曲折叠、变形侵限，二衬崩裂、压裂，仰拱开裂、隆起、纵向推移断裂等一系列病害问题。采用双层初期支护后，仍然出现了破坏，最大变形速率8.0 mm/d，累计沉降值70 mm，变形仍在持续发展，尚未收敛。隧道存在明显高地应力偏压现象。由于强烈偏压应力的作用，隧道出现了明显非对称变形及结构破坏问题（局部开裂、掉块、侵限等病害），为解决这一问题，锚杆采用非对称方式设计。

因此，本文根据现场支护结构破坏情况，针对二衬开裂侵限病害段落分类别进行衬砌结构设计，采用地层-结构法分别验算拆除重置段SFdbx-4不同支护结构结构稳定性要求。

2.1三维数值模型的建立

根据隧道Ⅴ级围岩设计资料建立相应的三维模型，模型横断面宽130 m、高130 m，纵向长度为60 m。为了模拟实际地应力条件，约束模型的底面及其四周边界的法向位移，模型上边界施加隧道实测的竖向应力（隧道中心）减去65 m岩体自重后的应力，水平及竖向主应力通过initial命令直接赋予模型网格，并考虑其在数值方向上的梯度变化。

结合工程实际，在原设计基础上（SF4a衬砌）开展拆换拱模拟，隧道每循环开挖进尺为1 m，其中隧道先进行开挖，后完成初期支护的施工，包括拱顶及边墙的钢拱架支撑、施作锚杆和喷射混凝土等，最后施作二次衬砌。隧道开挖与支护方法如图2所示。其中在隧道开挖前先施作超前大管棚，开挖后锚杆、钢拱架和喷射混凝土紧跟掌子面。

2.2隧道围岩及支护结构的弹塑性参数

隧道模型轮廓采用设计文件中Ⅴ级围岩深埋地段SFdbx-4型断面设计图，为研究拆除重置段SFdbx-4不同支护方案的影响，计算拆除重置段SFdbx-4支护方案以及在SFdbx-4型衬砌结构基础上设置横撑如图3所示，并设置衬砌厚度分别为70 cm（无横撑）、70 cm、75 cm、80 cm 4种方案，不同工况如表1所示。

本文模型建立采用CAD-ANSYS-FLAC 3D的方式，通过CAD建立平面几何模型，导入Rhino并建立三维几何模型，然后导入ANSYS软件中对网格进行划分。划分网格时保证块体接触面处平顺连续，使网格呈现为钝角较小的四边形，避免出现会使计算产生偏差的三角形网格。最后将划分好的网格模型导入FLAC 3D软件用以对处治段的开挖和支护过程进行模拟仿真计算。

根据资料东马场1号隧道现场实测地应力资料，最大水平主应力X方向为19.76 MPa，最小水平主应力Y方向为10.23 MPa，垂直应力Z方向为12.26 MPa。该模型采用摩尔-库仑本构模型，隧道围岩为各向同性的理想弹塑性体。根据设计参数，东马场1号隧道地层的物理与力学参数如表2所示，支护类型和参数如表3、表4所示。

3.1围岩变形特征

如图4所示为隧道位移特征点布置图，如图5所示为围岩水平竖向位移分布云图。工况1竖向位移值最大为54.74 cm，水平位移值最大为32.97 cm。工况2竖向位移值最大为48.93 cm，水平位移值最大为32.29 cm。工况3竖向位移值最大为45.26 cm，水平位移值最大为32.14 cm。工况4竖向位移值最大为42.32 cm，水平位移值最大为30.88 cm。隧道位移整体表现为左右两侧水平位移对称，变形差距较小，拱底垂直位移较拱顶垂直位移更小。围岩垂直位移主要分布在拱顶及拱底位置，而水平位移主要分布在两侧拱腰位置。这表明隧道围岩变形主要由仰拱隆起引起，在隧道施工过程中应添加仰拱处治措施，添加仰拱钢架搭接支护及增加管状强度等方案。添加横支撑后隧道洞周位移有明显减小，表明添加横支撑可以有效提高隧道结构的整体性，从而控制围岩竖向变形但对水平变形影响较小；随二衬厚度的增加，围岩位移稍有降低，但影响幅度较小。

3.2钢拱架应力受力特征

从图6可以看出，钢拱架均受压，第一层钢拱架已屈服，第二层钢拱架中工况1的最大应力为101.4 MPa，工况2的最大应力为84.51 MPa，工况3的最大应力为77.77 MPa，工况4的最大应力为84.76 MPa。第一层钢拱架屈服部位位于拱底部位，这是由于围岩仰拱隆起现象明显，围岩在仰拱处侵入较多，拱底承受更大的围岩压力。第二层钢拱架均在安全范围内，这表明设置双层初期支护，两层初支之间存有一定间隙使得围岩应力得到充分释放，提高了结构整体的安全性。4种工况钢拱架应力均未超过钢拱架的屈服强度（235 MPa），且有横撑相比未加横撑时喷射混凝土应力减小。

3.3锚杆轴力受力特征

从下页图7可知，工况1～工况4系统锚杆的最大轴向拉应力分别为276.92 MPa、295.83 MPa、207.26 MPa、207.11 MPa；长锚杆的最大轴向拉应力分别为142.26 MPa、143.99 MPa、133.95 MPa、133.53 MPa；仰拱管桩的最大轴向拉应力均为27.17 MPa，仰拱管桩受力较小。系统锚杆在拱顶位置处受力较大，工况1、工况2已达到屈服极限，锚杆受力在拱顶位置处由短锚杆向长锚杆转移。4种工况长锚杆拉应力最大值为143.99 MPa，未超过锚杆的设计承载力（235 MPa）。

3.4二次衬砌受力特征

从图8可以看出，未施作横撑的二次衬砌结构的最大压应力为6.46 MPa，最大拉应力为0.33 MPa。施作横撑二次衬砌结构最大的压应力为6.25 MPa，最大拉应力为0.07 MPa。施作横撑的二次衬砌，由于隧道以竖向变形侵入为主，隧道内部结构在水平方向上主要承受拉应力，横撑承受的拉应力值在0.07 MPa左右，未超过C35混凝土设计值（1.57 MPa），加横撑与未加横撑工况相比二衬受力降低约3%。添加横撑工况下横撑与长管棚一起组成“纵横支撑”体系，有效提升了结构整体性，荷载分配更加均匀，最终稳定的闭合结构使支护结构整体成环。

各工况不同位置安全系数见后页表5，4种工况下安全系数最小值均出现在右拱脚位置处，安全系数在7.0～8.3，均能满足规范要求。加横撑后安全系数增大，二衬厚度的改变对安全系影响较小。

4结语

本文采用CAD-ANSYS-FLAC 3D联合应用的方式，通过FLAC 3D软件对处治段的开挖和支护过程进行模拟仿真计算，分析了二次衬砌有无横支撑对施工过程中隧道围岩变形、支护受力特征及二次衬砌安全系数情况，结果表明：

（1）隧道位移整体表现为左右两侧水平位移对称，4种工况变形差距较小，拱底垂直位移较拱顶垂直位移更小。围岩垂直位移主要分布在拱顶及拱底位置，而水平位移主要分布在两侧拱腰位置。

（2）无论是否增加横撑喷射混凝土均受压，第一层喷射混凝土和第二层喷射混凝土最大应力值出现在拱脚部位，未加横撑第一层喷射混凝土应力值超过了设计强度，但考虑到喷射混凝土与钢拱架联合作用，结构整体稳定。当增加横撑时，横撑承受一部分荷载，改善了第一层喷射混凝土整体受力，使得喷射混凝土在添加横撑后应力减小。4种工况的对比中可以看出，有横撑相比未加横撑时喷射混凝土应力减小。

（3）锚杆受力均在拱顶位置处由短锚杆向长锚杆转移。4种工况长锚杆拉应力最大值为143.99 MPa，设置横梁钢拱架应力减小，且随着衬砌厚度增加，钢拱架应力也减小。加横撑与未加横撑工况相比二衬受力降低约3%。钢拱架、二衬最大应力及安全系数最小值均出现在拱脚处，表明拱脚处易形成应力集中现象，施工时应增设锁脚锚杆（管），使初期支护更好地与围岩密贴，形成共同受力体。加横梁支撑后安全系数增大，二衬厚度的改变对安全系数影响较小。

综上，有横撑稍优于无横撑二次衬砌，尤其在控制围岩位移隧道变形方面，其增加的横撑有效改善了隧道结构的稳定性，形成均匀受力体；二衬厚度的改变对结构影响较小。综合考虑隧道施工建设的时效性、经济性，建议该隧道二次衬砌采用有横撑二衬，厚度选择70 cm进行施工。

参考文献：

［1］王小林，黄彦波.中外高地应力软岩隧道大变形工程技术措施对比分析——以兰渝铁路木寨岭隧道与瑞士圣哥达基线隧道为例［J］.隧道建设（中英文），2018，38（10）：1 621-1 629.

［2］黄婷，宋建.大端隧道拆除扩建施工关键技术［J］.西部交通科技，2023（8）：106-107，214.

［3］王明江，徐祖宏，黄国林，等.浅埋大偏压六车道连拱隧道初支换拱处治技术［J］.地下空间与工程学报，2023，19（z1）：478-485.

［4］叶康慨.兰渝铁路木寨岭隧道岭脊核心段扩拆技术［J］.隧道建设（中英文），2018，38（4）：640-648.

［5］徐松.牡绥铁路兴源隧道软岩大变形控制技术［J］.隧道建设，2016，36（8）：997-1 003.

作者简介：隋志斌（1992—），硕士，助理工程师，主要从事公路工程建设管理工作。

收稿日期：2024-05-16