侯代英,李振雨,李政興,馬東東

（中交一公局集團有限公司,北京 100024）

0 引言

在實際工程中，軟巖隧道支護是隧道支護的一個難題，這是由于軟巖自身所具有的遇水易軟化、變形大且強度低等的缺點。由于軟巖的這些缺點，給設(shè)計和施工帶來了一定的困難，而且會在一定程度上影響隧道的長期穩(wěn)定性。

為了解決軟巖問題，我國學(xué)者做了大量的研究[1-4]，這些研究對實際工程問題的解決提供了有力支持。近年來，中國學(xué)者以實際工程為背景對軟巖隧道的具體問題進行了分析[5-7]，蒙浩[8]以某地特長軟巖公路隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，分析和闡述了隧道主導(dǎo)思路設(shè)計與工程施工的技術(shù)手段，為類似的工程施工建設(shè)具有一定的指導(dǎo)作用和參考價值。宋洋等[9]建立了一個基于軟巖的流變特性的隧道模型，在地震荷載的作用下并利用三維有限差分軟件FLAC3D軟件，分析了不同支護剛度條件下圍巖變形和支護體應(yīng)力情況。

該文以臨渭高速公路某隧道為研究對象，對軟巖區(qū)域工程地質(zhì)資料和支護參數(shù)開展監(jiān)測分析，在現(xiàn)有的隧道工程建設(shè)和文獻資料的基礎(chǔ)上調(diào)查、檢索、學(xué)習(xí)，并應(yīng)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試手段，對軟弱圍巖段支護體系進行靜力狀態(tài)分析，對不同工況的隧道支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性進行評價并提出合理的支護措施。

1 有限元模擬

1.1 工程背景

該研究依托工程某軟巖隧道，該隧道的建筑限界凈空凈寬為13.428 2 m、凈高7.11 m。隧道采用單心圓（凈面積A=79.02 m2），選用錨索和錨桿兩種支護方法進行支護，以鋼筋網(wǎng)、濕噴混凝土等結(jié)合錨索或者錨桿作為初期支護，形成內(nèi)復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)；并以鋼拱架、超前大管棚、鋼格柵、注漿和超前錨桿等措施作為輔導(dǎo)設(shè)施，使圍巖能夠發(fā)揮自身的承載能力；接下來進行初期支護和二次模筑襯砌的施工，以便指導(dǎo)施工，應(yīng)在施工過程中全程監(jiān)控量測。通過理論計算分析并結(jié)合類似工程的經(jīng)驗，確定初期支護參數(shù)，隧道洞身段的進洞口采用超前管棚結(jié)構(gòu)。為了更好地指導(dǎo)隧道施工，監(jiān)測監(jiān)控支護結(jié)構(gòu)選擇在隧道的左線，所在位置的圍巖級別為Ⅴ級。

1.2 邊界條件

位移邊界條件為：左、右邊界的水平方向位移為0，即U2=0，下邊界的位移邊界條件為固定邊界U1=U2=0，上邊界為自由邊界。

應(yīng)力邊界條件為：由于工程的復(fù)雜性和多變性，在數(shù)值模擬過程中采用以下假定：隧道周圍的土體和巖體為均質(zhì)體，忽略場地內(nèi)構(gòu)造活動的影響。通過計算取垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力為側(cè)壓系數(shù)與垂直應(yīng)力乘積，即其中K0為土的側(cè)壓系數(shù)。

1.3 建立模型

模型所采用的有限元軟件為Midas/GTS，取隧道埋深為：80.298 3 m的位置，在模擬區(qū)域的選擇上，向左、右、下方向各取30 m，上部按工程勘察資料選取80.298 3 m。土層及其參數(shù)如表1所示，模擬過程中，巖體的本構(gòu)模型采用摩爾庫侖模型。在模擬復(fù)合襯砌的開挖過程中，考慮建立動態(tài)施工過程，建模過程中，使用桿單元模擬錨桿，使用殼體結(jié)構(gòu)單元模擬襯砌，襯砌厚度為30 cm。二次襯砌需要控制其變形，采用彈性模型進行模擬，混凝土噴涂層厚度為45 cm?？紤]隧道的結(jié)構(gòu)形式，想要得到可靠的計算結(jié)果，在內(nèi)部劃分細密，隧道內(nèi)及周圍采用細密網(wǎng)格劃分，然后向外延伸，在外圍做劃分網(wǎng)格的輔助圓，相應(yīng)的網(wǎng)格單元如圖1所示。

根據(jù)設(shè)計資料，提取出相關(guān)的材料參數(shù)如表1所示。

表1 計算模型參數(shù)

1.4 開挖施工階段模擬

施工過程所選用兩種支護方法，即系統(tǒng)錨桿支護和鎖腳錨桿支護，實際施工過程中，系統(tǒng)錨桿每個階段的施工步序包括開挖和施工襯砌，主要為：初始階段→上部開挖階段和上部初襯→中部開挖和中部襯砌→下部開挖和下部初襯→二次襯砌和下部回填。

鎖腳錨桿支護的施工步序為：初始階段→上部開挖階段和上部初襯→中部開挖和中部襯砌→下部開挖和下部初襯→二次襯砌和下部回填。

2 數(shù)值模擬結(jié)果比分析

2.1 總位移的施工階段數(shù)值模擬

2.1.1 加系統(tǒng)錨桿的施工階段模擬

將該次模擬的系統(tǒng)錨桿穩(wěn)定的位移結(jié)果情況作對比，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)錨桿總位移的數(shù)值模擬

從圖2可以看出其最大位移發(fā)生的位置在拱頂和仰拱的位置。這樣對于拱頂和仰拱位置的支護要求比較高。

2.1.2 加鎖腳錨桿的施工階段模擬

將該次模擬的鎖腳錨桿穩(wěn)定的位移結(jié)果情況作對比，如圖3所示。

圖3 鎖腳錨桿總位移的數(shù)值模擬

從圖3可以看出，總位移變化最大的位置在鎖腳錨桿的另一端，即在加鎖腳錨桿后，軟巖通過鋼架把力傳遞給鎖腳錨桿，由于鋼架的剛度大，導(dǎo)致拱頂?shù)奈灰葡鄬︽i腳錨桿端部的位移較小。

通過有限元模擬對拱頂?shù)奈灰茦擞浻涗浧湓诟鱾€施工階段的位移變化規(guī)律，對比系統(tǒng)錨桿與鎖腳錨桿支護下軟巖隧道的拱頂總位移隨開挖階段的變化曲線，其變化如圖4所示。

圖4 鎖腳錨桿和系統(tǒng)錨桿的各施工階段總位移變化規(guī)律

從圖4可以看出系統(tǒng)錨桿支護和鎖腳錨桿支護的總位移的變化規(guī)律，各階段錨索支護的位移相對于錨桿支護較大，但都滿足設(shè)計要求。從前面這些圖可以看出，錨桿支護的軟巖隧道最大拱頂位移0.034 1 mm，鎖腳錨桿支護軟巖隧道最大拱頂位移為0.039 51 m，兩者都滿足最小變形的要求，但相對于其各自的支護方式，系統(tǒng)錨桿的材料用量遠遠比鎖腳錨桿多，使用錨索比較經(jīng)濟，很大程度上節(jié)約了材料。

2.2 垂直位移的施工階段數(shù)值模擬

2.2.1 加系統(tǒng)錨桿的總位移

將該次模擬結(jié)果中圍巖穩(wěn)定后的垂直位移情況作對比，如圖5所示。

觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)錨桿的支護下，軟巖隧道的最大位移位置出現(xiàn)在拱頂，上拱頂?shù)某两底畲螅卵龉俺霈F(xiàn)的最大上凸位移。

圖5 千斤頂反力座模型

2.2.2 加鎖腳錨桿的垂直位移

將該次模擬結(jié)果巖穩(wěn)定后的垂直位移情況作對比，如圖6所示。

圖6 鎖腳錨桿垂直位移的數(shù)值模擬

從圖6可以看出在鎖腳錨桿支護方式下隧道開挖隧道的垂直位移的特點，最大位移發(fā)生的位置不在拱頂，而在鎖腳錨桿支護的另一端。

通過有限元Midas GTS NX進行模擬，并記錄了軟巖隧道拱頂?shù)呢Q向位移在不同施工階段的變化規(guī)律，其變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 錨索支護的各施工階段垂直位移變化規(guī)律

從圖7可以看出系統(tǒng)錨桿支護和鎖腳錨桿支護的垂直位移的變化規(guī)律，各施工階段錨桿支護的垂直位移相對于錨索支護較小，但都滿足設(shè)計要求。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，采用錨桿支護產(chǎn)生最大垂直位移為?0.034 2 mm，而采用錨索支護產(chǎn)生的最大垂直位移為?0.039 4 mm，鎖腳錨桿支護和錨桿支護都滿足設(shè)計要求，從經(jīng)濟的角度出發(fā)，系統(tǒng)錨桿的數(shù)量和用材要比鎖腳錨桿多；因此使用錨索更加經(jīng)濟適用。

3 結(jié)論

該文通過有限元軟件對某高速公路隧道所采用的兩種支護方式進行對比分析，研究鎖腳錨桿支護和系統(tǒng)錨桿支護在滿足承載要求和變形要求的前提下更經(jīng)濟適用。根據(jù)模擬結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，錨桿支護和鎖腳錨桿支護下的拱頂最大位移和隧道斷面最大垂直位移均能達到了設(shè)計要求，但鎖腳錨桿的材料用量遠小于系統(tǒng)錨桿較為經(jīng)濟。

（2）從發(fā)生最大的位移的位置，可以看出系統(tǒng)錨桿支護最大位移發(fā)生的位置在拱頂和仰拱處，而鎖腳錨桿支護產(chǎn)生的最大位移在鎖腳錨桿支護的另一端。對比產(chǎn)生最大位移的位置發(fā)現(xiàn)，鎖腳錨桿支護另一端的位移相對于發(fā)生在拱頂和仰拱的位置對隧道的影響較小，而發(fā)生在鎖腳支護另一端的位移對正常的施工和運行沒有較大的影響，發(fā)生在拱頂和仰拱的位置會直接影響施工和隧道的正常運行。