羅袁羲　彭文輝　張美琴　彭坤

【摘? ? 要】： 考慮近水平巖層拱頂及拱墻處的破壞特征存在明顯的差異，對(duì)近水平巖層隧道的破壞特征進(jìn)行研究；采用數(shù)值計(jì)算及監(jiān)測(cè)反饋的方法，考慮爆破對(duì)圍巖及結(jié)構(gòu)面的劣化作用，分析隧道各個(gè)部位的位移、錨桿軸力等數(shù)值，提出近水平巖層優(yōu)化方案。研究結(jié)果表明，近水平巖層深埋硬巖隧道，可取消拱墻部位的錨桿，僅在拱頂范圍設(shè)置，可節(jié)省系統(tǒng)錨桿約40%的工程量，能夠節(jié)約資金和保證安全，同時(shí)也縮短了工期。

【關(guān)鍵詞】： 近水平巖層；公路；特長(zhǎng)隧道；支護(hù)參數(shù)

【中圖分類號(hào)】：U451.2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：1008-3197（2023）05-31-05

【DOI編碼】：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

自然界中具有層狀構(gòu)造的沉積巖約占陸地面積的2/3，水平層狀圍巖大量分布，在高速公路隧道建設(shè)中經(jīng)常遇到水平層狀圍巖，由于具有層狀結(jié)構(gòu)，巖體變形及強(qiáng)度性質(zhì)具有明顯的各向異性，巖體的破壞方式及破壞形態(tài)很大程度取決于結(jié)構(gòu)面及巖石裂隙發(fā)育情況[1]。工程實(shí)踐中，Ⅲ級(jí)水平巖層圍巖隧道拱頂?shù)魤K及模塌方時(shí)有發(fā)生，給隧道施工帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患；因此，完善水平巖層支護(hù)參數(shù)，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，對(duì)保證安全施工、提高圍巖穩(wěn)定性及節(jié)約投資具有重要意義[2～3]。

近年來(lái)，爆破對(duì)圍巖的損傷是工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。理論研究認(rèn)為爆炸導(dǎo)致巖體損傷的主要原因是應(yīng)力波的傳播、反射及相互之間的作用使巖體的裂紋激活、擴(kuò)展；宏觀上損傷力學(xué)理論將巖體視為具有原始缺陷的連續(xù)材料，即巖體是包括很多裂隙的連續(xù)體，損傷可以看作由于爆炸作用使原有裂隙張開、擴(kuò)展，從而導(dǎo)致巖體力學(xué)性能的“劣化”。本文針對(duì)近水平圍巖結(jié)構(gòu)特性，依托宜威高速上羅特長(zhǎng)隧道工程，采用數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋的方法，考慮爆破施工對(duì)圍巖的損傷作用，分析近水平圍巖隧道變形、錨桿軸力等特征，提出系統(tǒng)錨桿支護(hù)優(yōu)化方案，論證優(yōu)化方案合理性。

1 工程概況

上羅隧道為雙向行駛的雙洞四車道高速公路隧道，設(shè)計(jì)速度80 km/h，左右洞長(zhǎng)度分別為7 066、7 032 m。隧道主要穿越三疊系強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，薄層～中厚層狀構(gòu)造，巖體較破碎～破碎，平均單軸飽和抗壓強(qiáng)度30.6 MPa；三疊系強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化泥巖，薄層狀構(gòu)造，巖體破碎，平均單軸飽和抗壓強(qiáng)度24.5 MPa；三疊系強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化灰?guī)r，薄層～中厚層狀構(gòu)造，巖體較破碎～破碎，平均單軸飽和抗壓強(qiáng)度35.6 MPa；三疊系強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r，薄層～中厚層狀構(gòu)造，巖體較破碎～破碎，平均單軸飽和抗壓強(qiáng)度26.2 MPa。Ⅲ級(jí)圍巖長(zhǎng)度2 420 m、Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)度3 258 m、Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)度1 388 m。

工程區(qū)主要發(fā)育2組優(yōu)勢(shì)節(jié)理，分別為：①產(chǎn)狀，100°～110°∠60°～84°，密度約3～5條/m；②產(chǎn)狀，310°～330°∠50°～80°，密度約2～5條/m。隧道區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，構(gòu)造相對(duì)較少發(fā)育、含水量較貧乏，開挖后，隧道洞壁干燥，局部地段潮濕。

2 隧道初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

原隧道支護(hù)參數(shù)分別選取主洞Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖深埋襯砌類型。見表1。

錨桿的具體優(yōu)化方案：

1）Ⅲb型襯砌取消拱頂120°范圍外的系統(tǒng)錨桿，拱頂±30°范圍內(nèi)采用短錨桿，拱頂±30°～±60°采用長(zhǎng)錨桿并增加超前支護(hù)，鋼架及二襯參數(shù)保持不變，見圖1；

2）Ⅳb型襯砌拱頂120°范圍外的系統(tǒng)錨桿，拱頂±30°范圍內(nèi)采用短錨桿，拱頂±30°～±60°采用長(zhǎng)錨桿，鋼架及二襯參數(shù)保持不變，見圖2；

3）Ⅴb型襯砌拱頂130°范圍外的系統(tǒng)錨桿，拱頂±35°范圍內(nèi)采用短錨桿，拱頂±35°～±66°采用長(zhǎng)錨桿，鋼架及二襯參數(shù)保持不變，見圖3。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

當(dāng)前，對(duì)巖體爆破損傷范圍的研究主要是基于損傷理論，通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)討論不同爆破條件下巖體的損傷狀態(tài)。根據(jù)已有的損傷模型，在損傷度D達(dá)到1時(shí)，巖體處于完全破碎狀態(tài)。當(dāng)爆前爆后波速降低率＞10%時(shí)，即判定巖體受到爆破損傷破壞，其對(duì)應(yīng)的損傷度D的損傷閾值為0.19。當(dāng)損傷度D＜0.19時(shí)，認(rèn)為巖體損傷較輕或未受損傷。在鉆爆條件下，炮孔附近巖體處于完全破碎狀態(tài)（D=1）并與基巖分離，屬于可開挖巖體；而隨著爆生裂紋沿著炮孔徑向擴(kuò)展，裂紋密度逐漸減少，巖體逐步趨于無(wú)損狀態(tài)（D＜0.19），成為保留巖體[4]。

巖體損傷通常被定義為巖體性質(zhì)的劣化，表現(xiàn)在巖體強(qiáng)度、黏聚力、完整性、聲波速度等方面，風(fēng)化、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、地震及爆炸等外界作用均會(huì)造成巖體的損傷。根據(jù)巖體損傷理論，巖體結(jié)構(gòu)中存在著大量的微裂紋，爆炸荷載會(huì)激活巖體結(jié)構(gòu)中的微裂紋成為活化裂紋，隨著活化裂紋聚集擴(kuò)展，形成宏觀爆生裂紋，造成巖體物理和力學(xué)性質(zhì)的降低。在表征巖體性質(zhì)劣化程度上，通常采用的指標(biāo)是損傷度D。巖石中的原生細(xì)微裂紋，與晶粒屬于一個(gè)數(shù)量級(jí)，巖體性質(zhì)劣化是由被激活的裂紋所引起的，裂紋數(shù)服從雙參數(shù)的威布爾分布。根據(jù)損傷理論，則損傷狀態(tài)下的等效彈性模量[E]與損傷度D的關(guān)系為

E=（1-D）E?（1）

式中：E為無(wú)損狀態(tài)的彈性模量；[E]為損傷狀態(tài)的等效彈性模量。

損傷狀態(tài)下的等效黏聚力[c]與損傷度D的關(guān)系為

c=（1-D）c（2）

式中：c為無(wú)損狀態(tài)的黏聚力；[c]為損傷狀態(tài)的等效黏聚力。

假定爆破前后巖體的密度、泊松比、內(nèi)摩擦角近似相等。

搜集國(guó)內(nèi)外有關(guān)項(xiàng)目的聲波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)臨界破碎狀態(tài)巖體的損傷度并最終確定其損傷閾值Dt為0.75～0.85[5]。

為評(píng)價(jià)優(yōu)化方案的合理性，計(jì)算使用邁達(dá)斯GTSNX有限元軟件，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，爆破對(duì)巖體及結(jié)構(gòu)面的削弱作用范圍取0.7倍的洞涇，損傷度D取0.8。從圍巖變形、錨桿軸力等分布情況分析優(yōu)化前與優(yōu)化后的差異。

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)設(shè)計(jì)文件及地質(zhì)條件，分別?、骲、Ⅳb、Ⅴb型襯砌進(jìn)行二維地層結(jié)構(gòu)模型計(jì)算，對(duì)計(jì)算剖面定義了地質(zhì)概化模型及有限元計(jì)算網(wǎng)格。見圖4。

計(jì)算參數(shù)見表2和表3。

3.2 計(jì)算結(jié)果

近水平巖層隧道變形主要以豎向沉降為主，水平位移較小，拱墻部分錨桿軸力明顯較拱頂?。蝗∠皦﹀^桿后，位移及錨桿軸力小幅增加，但變化不明顯。見圖5和圖6。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，隧道開挖過(guò)程中采用支護(hù)優(yōu)化后的方案可行，可以保證施工安全。

4 優(yōu)化方案的監(jiān)測(cè)

為驗(yàn)證所優(yōu)化方案的合理性，施工過(guò)程中分別在Ⅲ、IV、Ⅴ級(jí)圍巖主洞深埋隧道斷面進(jìn)行了多點(diǎn)位移及錨桿軸力監(jiān)測(cè)。多點(diǎn)位移在掌子面開挖1～2周內(nèi)收斂，拱頂沉降較拱腰變形明顯要大，與數(shù)值模擬計(jì)算基本吻合；錨桿軸力在掌子面開挖后1～2周內(nèi)區(qū)域穩(wěn)定，錨桿軸力拱頂較大，拱腰對(duì)比拱拱頂明顯要小。見圖7-圖9。

實(shí)測(cè)結(jié)果比模擬計(jì)算結(jié)果偏大，可能是因?yàn)楸蒲b藥量較大，造成的圍巖損傷度偏大，爆破對(duì)圍巖的劣化作用比預(yù)期強(qiáng)。

5 結(jié)論與建議

數(shù)值模擬結(jié)果及監(jiān)測(cè)反饋均顯示，拱墻處的錨桿軸力很小，Ⅲ、IV、Ⅴ級(jí)圍巖可優(yōu)化系統(tǒng)錨桿僅在拱頂120°～130°范圍設(shè)置，采用長(zhǎng)短錨桿區(qū)別設(shè)計(jì)，拱頂60°范圍采用短錨桿，60°范圍外采用長(zhǎng)錨桿；不但能夠節(jié)約資金、保證安全，同時(shí)也縮短了工期。

所研究隧道圍巖為近水平巖層，薄層～中厚層構(gòu)造，巖層屬于較堅(jiān)硬巖、結(jié)構(gòu)面膠結(jié)較好、黏聚力較大，拱頂不會(huì)發(fā)生離層破壞，拱肩處拉應(yīng)力較大，在爆破作用下，圍巖及結(jié)構(gòu)面劣化嚴(yán)重，容易出現(xiàn)離層破壞，建議在爆破設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)減少掏槽眼裝藥量，控制粉碎區(qū)范圍，避免掉塊及超挖現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]梅松華.層狀巖體開挖變形機(jī)制及破壞機(jī)理研究[D].武漢：中國(guó)科學(xué)院研究生院（武漢巖土力學(xué)研究所），2009.

[2]馮文凱，石豫川，王興平，等.高速公路隧道水平層狀圍巖支護(hù)優(yōu)化[J].中國(guó)公路報(bào)，2009，22（2）：65-70.

[3]常偉. 高速公路隧道水平層狀圍巖錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究[J].國(guó)防交通工程與技術(shù)，2013，11（2）：60-64.

[4]劉永勝，朱思源，楊小林，等.多次爆破對(duì)大跨度硐室圍巖的損傷累積及松動(dòng)圈范圍研究[J].爆破，2022，39（1）：9-15+35.

[5]劉亮，盧文波，陳明，等.鉆爆開挖條件下巖體臨界破碎狀態(tài)的損傷閾值統(tǒng)計(jì)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35（6）：1133-1140.