摘要：為解決軟巖隧道大變形侵入問題，文章以云南某高速公路軟弱圍巖下穿大斷裂帶隧道為研究背景，采用CAD-ANSYS-FLAC 3D軟件建立三維模型，分析二次襯砌在有無橫撐及不同二襯厚度4種支護方案下的隧道圍巖變形、結構受力及二襯安全系數(shù)，研究了軟弱圍巖環(huán)境下不同支護方案對隧道施工全過程穩(wěn)定性的影響。結果表明：軟巖環(huán)境下，隧道拱腳處易形成應力集中現(xiàn)象，施工時應增設鎖腳錨桿（管），使初期支護更好地與圍巖密貼，形成共同受力體，保障施工安全；增加橫支撐，能改善結構受力情況，使結構整體性增強，增加了結構穩(wěn)定性；二襯厚度的增加能夠改善結構受力情況，但對圍巖及結構整體影響較小。

關鍵詞：軟巖隧道；二次襯砌橫支撐；變形特征；數(shù)值模擬

中圖分類號：U455.91" " " " 文獻標識碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.054

文章編號：1673-4874（2024）11-0183-04

0引言

近年來，我國交通運輸業(yè)發(fā)展迅速，在西部尤其是西部山區(qū)，地形條件復雜，長大隧道廣泛分布，不可避免地遭遇大量軟巖地層。該類巖體強度低、巖體破碎，施工過程中稍有不慎則容易出現(xiàn)大變形問題，隧道的支護措施應考慮地應力釋放與支護的平衡，使其既有足夠阻力限制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，又有一定的可讓性以適應圍巖的變形［1］。若總變形量超過正常施工預留變形量就必須拆換初期支護，不僅影響施工進度，還會造成較大的施工安全隱患，危及人員及設備安全。黃婷等［2］對其隧道拆除施工過程中的各種拆除及安全保障措施等關鍵技術進行研究，并總結出相應處治措施，為后續(xù)類似條件下的擴建隧道拆除施工提供參考。王明江等［3］從初支變形應急措施、換拱可行性論證及局部換拱施工等方面提出洞內搶作二襯及臨時支撐等措施有效控制了圍巖變形。葉康慨［4］為解決極高地應力作用下的隧道大變形問題，應用圍巖徑向注漿加固等措施，對擠壓變形開裂的襯砌予以拆除，重新施作二次襯砌。徐松［5］針對薄層狀炭質泥巖夾砂巖的大變形問題，從臺階長度、高度、主要的技術措施以及施工組織措施等方面提出了增加縱向型鋼支護及全環(huán)徑向注漿加固等措施，有效控制了圍巖變形。

目前對控制軟巖變形措施的研究，多以增加臨時支撐、拆換拱為主，而二襯施作橫支撐者較少。本文以云南某隧道拆除重置段為實例，分析二次襯砌有無橫支撐及二襯厚度對圍巖變形及結構受力情況的影響。

1工程概況

云南某高速公路隧道圍巖等級為Ⅴ級，隧址區(qū)程海-賓川斷裂帶呈強風化（碎石）狀，局部碎塊狀，裂隙發(fā)育，巖體破碎、軟弱，圍巖易坍塌。巖性為泥巖、泥質粉砂巖、砂巖、石英砂巖、礫巖、灰?guī)r、白云質灰?guī)r，裂隙紋理發(fā)育，呈碎塊狀，穩(wěn)定性差。

根據(jù)設計資料及超前地質預報資料顯示，隧址區(qū)內程海-賓川斷裂帶與隧道相交于K72+164（左幅ZK72+150），呈41°夾角，該斷裂為全新世活動斷裂、發(fā)震斷裂，對隧道影響較大，如圖1所示。斷層兩側泥質砂巖夾石英砂巖體及灰?guī)r夾白云質灰?guī)r體極破碎，呈散體狀結構、碎石狀。圍巖級別為Ⅴ級圍巖，由于初始設計為SDsf-1型襯砌支護，施工過程中發(fā)生了嚴重的大變形病害。經(jīng)過現(xiàn)場地應力、松動圈測試以及圍巖變形監(jiān)測，現(xiàn)場地應力達到19.7MPa，松動圈約為7～12 m，圍巖變形＞1 m，綜合判定該隧道斷層影響區(qū)內為強烈大變形段。

隧道受全新世活動的程海-賓川斷裂帶影響，變質泥巖、變質灰?guī)r等軟巖區(qū)段在高地應力場環(huán)境下出現(xiàn)了嚴重大變形問題。仰拱累計最大隆起170 cm，拱頂累計最大沉降156 cm，周邊收斂累計139 cm。采取單層強支護措施，隧道結構出現(xiàn)了初支開裂剝落、拱架扭曲折疊、變形侵限，二襯崩裂、壓裂，仰拱開裂、隆起、縱向推移斷裂等一系列病害問題。采用雙層初期支護后，仍然出現(xiàn)了破壞，最大變形速率8.0 mm/d，累計沉降值70 mm，變形仍在持續(xù)發(fā)展，尚未收斂。隧道存在明顯高地應力偏壓現(xiàn)象。由于強烈偏壓應力的作用，隧道出現(xiàn)了明顯非對稱變形及結構破壞問題（局部開裂、掉塊、侵限等病害），為解決這一問題，錨桿采用非對稱方式設計。

因此，本文根據(jù)現(xiàn)場支護結構破壞情況，針對二襯開裂侵限病害段落分類別進行襯砌結構設計，采用地層-結構法分別驗算拆除重置段SFdbx-4不同支護結構結構穩(wěn)定性要求。

2.1三維數(shù)值模型的建立

根據(jù)隧道Ⅴ級圍巖設計資料建立相應的三維模型，模型橫斷面寬130 m、高130 m，縱向長度為60 m。為了模擬實際地應力條件，約束模型的底面及其四周邊界的法向位移，模型上邊界施加隧道實測的豎向應力（隧道中心）減去65 m巖體自重后的應力，水平及豎向主應力通過initial命令直接賦予模型網(wǎng)格，并考慮其在數(shù)值方向上的梯度變化。

結合工程實際，在原設計基礎上（SF4a襯砌）開展拆換拱模擬，隧道每循環(huán)開挖進尺為1 m，其中隧道先進行開挖，后完成初期支護的施工，包括拱頂及邊墻的鋼拱架支撐、施作錨桿和噴射混凝土等，最后施作二次襯砌。隧道開挖與支護方法如圖2所示。其中在隧道開挖前先施作超前大管棚，開挖后錨桿、鋼拱架和噴射混凝土緊跟掌子面。

2.2隧道圍巖及支護結構的彈塑性參數(shù)

隧道模型輪廓采用設計文件中Ⅴ級圍巖深埋地段SFdbx-4型斷面設計圖，為研究拆除重置段SFdbx-4不同支護方案的影響，計算拆除重置段SFdbx-4支護方案以及在SFdbx-4型襯砌結構基礎上設置橫撐如圖3所示，并設置襯砌厚度分別為70 cm（無橫撐）、70 cm、75 cm、80 cm 4種方案，不同工況如表1所示。

本文模型建立采用CAD-ANSYS-FLAC 3D的方式，通過CAD建立平面幾何模型，導入Rhino并建立三維幾何模型，然后導入ANSYS軟件中對網(wǎng)格進行劃分。劃分網(wǎng)格時保證塊體接觸面處平順連續(xù)，使網(wǎng)格呈現(xiàn)為鈍角較小的四邊形，避免出現(xiàn)會使計算產(chǎn)生偏差的三角形網(wǎng)格。最后將劃分好的網(wǎng)格模型導入FLAC 3D軟件用以對處治段的開挖和支護過程進行模擬仿真計算。

根據(jù)資料東馬場1號隧道現(xiàn)場實測地應力資料，最大水平主應力X方向為19.76 MPa，最小水平主應力Y方向為10.23 MPa，垂直應力Z方向為12.26 MPa。該模型采用摩爾-庫侖本構模型，隧道圍巖為各向同性的理想彈塑性體。根據(jù)設計參數(shù)，東馬場1號隧道地層的物理與力學參數(shù)如表2所示，支護類型和參數(shù)如表3、表4所示。

3.1圍巖變形特征

如圖4所示為隧道位移特征點布置圖，如圖5所示為圍巖水平豎向位移分布云圖。工況1豎向位移值最大為54.74 cm，水平位移值最大為32.97 cm。工況2豎向位移值最大為48.93 cm，水平位移值最大為32.29 cm。工況3豎向位移值最大為45.26 cm，水平位移值最大為32.14 cm。工況4豎向位移值最大為42.32 cm，水平位移值最大為30.88 cm。隧道位移整體表現(xiàn)為左右兩側水平位移對稱，變形差距較小，拱底垂直位移較拱頂垂直位移更小。圍巖垂直位移主要分布在拱頂及拱底位置，而水平位移主要分布在兩側拱腰位置。這表明隧道圍巖變形主要由仰拱隆起引起，在隧道施工過程中應添加仰拱處治措施，添加仰拱鋼架搭接支護及增加管狀強度等方案。添加橫支撐后隧道洞周位移有明顯減小，表明添加橫支撐可以有效提高隧道結構的整體性，從而控制圍巖豎向變形但對水平變形影響較?。浑S二襯厚度的增加，圍巖位移稍有降低，但影響幅度較小。

3.2鋼拱架應力受力特征

從圖6可以看出，鋼拱架均受壓，第一層鋼拱架已屈服，第二層鋼拱架中工況1的最大應力為101.4 MPa，工況2的最大應力為84.51 MPa，工況3的最大應力為77.77 MPa，工況4的最大應力為84.76 MPa。第一層鋼拱架屈服部位位于拱底部位，這是由于圍巖仰拱隆起現(xiàn)象明顯，圍巖在仰拱處侵入較多，拱底承受更大的圍巖壓力。第二層鋼拱架均在安全范圍內，這表明設置雙層初期支護，兩層初支之間存有一定間隙使得圍巖應力得到充分釋放，提高了結構整體的安全性。4種工況鋼拱架應力均未超過鋼拱架的屈服強度（235 MPa），且有橫撐相比未加橫撐時噴射混凝土應力減小。

3.3錨桿軸力受力特征

從下頁圖7可知，工況1～工況4系統(tǒng)錨桿的最大軸向拉應力分別為276.92 MPa、295.83 MPa、207.26 MPa、207.11 MPa；長錨桿的最大軸向拉應力分別為142.26 MPa、143.99 MPa、133.95 MPa、133.53 MPa；仰拱管樁的最大軸向拉應力均為27.17 MPa，仰拱管樁受力較小。系統(tǒng)錨桿在拱頂位置處受力較大，工況1、工況2已達到屈服極限，錨桿受力在拱頂位置處由短錨桿向長錨桿轉移。4種工況長錨桿拉應力最大值為143.99 MPa，未超過錨桿的設計承載力（235 MPa）。

3.4二次襯砌受力特征

從圖8可以看出，未施作橫撐的二次襯砌結構的最大壓應力為6.46 MPa，最大拉應力為0.33 MPa。施作橫撐二次襯砌結構最大的壓應力為6.25 MPa，最大拉應力為0.07 MPa。施作橫撐的二次襯砌，由于隧道以豎向變形侵入為主，隧道內部結構在水平方向上主要承受拉應力，橫撐承受的拉應力值在0.07 MPa左右，未超過C35混凝土設計值（1.57 MPa），加橫撐與未加橫撐工況相比二襯受力降低約3%。添加橫撐工況下橫撐與長管棚一起組成“縱橫支撐”體系，有效提升了結構整體性，荷載分配更加均勻，最終穩(wěn)定的閉合結構使支護結構整體成環(huán)。

各工況不同位置安全系數(shù)見后頁表5，4種工況下安全系數(shù)最小值均出現(xiàn)在右拱腳位置處，安全系數(shù)在7.0～8.3，均能滿足規(guī)范要求。加橫撐后安全系數(shù)增大，二襯厚度的改變對安全系影響較小。

4結語

本文采用CAD-ANSYS-FLAC 3D聯(lián)合應用的方式，通過FLAC 3D軟件對處治段的開挖和支護過程進行模擬仿真計算，分析了二次襯砌有無橫支撐對施工過程中隧道圍巖變形、支護受力特征及二次襯砌安全系數(shù)情況，結果表明：

（1）隧道位移整體表現(xiàn)為左右兩側水平位移對稱，4種工況變形差距較小，拱底垂直位移較拱頂垂直位移更小。圍巖垂直位移主要分布在拱頂及拱底位置，而水平位移主要分布在兩側拱腰位置。

（2）無論是否增加橫撐噴射混凝土均受壓，第一層噴射混凝土和第二層噴射混凝土最大應力值出現(xiàn)在拱腳部位，未加橫撐第一層噴射混凝土應力值超過了設計強度，但考慮到噴射混凝土與鋼拱架聯(lián)合作用，結構整體穩(wěn)定。當增加橫撐時，橫撐承受一部分荷載，改善了第一層噴射混凝土整體受力，使得噴射混凝土在添加橫撐后應力減小。4種工況的對比中可以看出，有橫撐相比未加橫撐時噴射混凝土應力減小。

（3）錨桿受力均在拱頂位置處由短錨桿向長錨桿轉移。4種工況長錨桿拉應力最大值為143.99 MPa，設置橫梁鋼拱架應力減小，且隨著襯砌厚度增加，鋼拱架應力也減小。加橫撐與未加橫撐工況相比二襯受力降低約3%。鋼拱架、二襯最大應力及安全系數(shù)最小值均出現(xiàn)在拱腳處，表明拱腳處易形成應力集中現(xiàn)象，施工時應增設鎖腳錨桿（管），使初期支護更好地與圍巖密貼，形成共同受力體。加橫梁支撐后安全系數(shù)增大，二襯厚度的改變對安全系數(shù)影響較小。

綜上，有橫撐稍優(yōu)于無橫撐二次襯砌，尤其在控制圍巖位移隧道變形方面，其增加的橫撐有效改善了隧道結構的穩(wěn)定性，形成均勻受力體；二襯厚度的改變對結構影響較小。綜合考慮隧道施工建設的時效性、經(jīng)濟性，建議該隧道二次襯砌采用有橫撐二襯，厚度選擇70 cm進行施工。

參考文獻：

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作者簡介：隋志斌（1992—），碩士，助理工程師，主要從事公路工程建設管理工作。

收稿日期：2024-05-16