隧道的围岩特性与初级支护结构分析

隧道的围岩特性与初级支护结构分析

【摘要】隧道的围岩变形问题是隧道工程中一个重要的部分，开挖方式以及支护措施一直都是工程中重要的研究课题，本文对隧道的几种开挖方式、支护时机、和参数的设置上做了简要的分析比较。

【关键词】围岩变形；开挖方法；支护形式；参数优化

0 前言

随着高速公路的迅速发展，隧道做为交通发展重要组成部分也要跨上一个新台阶，相应地隧道设计和施工技术也有了更高的挑战和要求。在隧道初级设计和施工过程中，采用不同的施工方法和不同的支护结构形式对隧道围岩的稳定性有很大影响，目前常用的隧道施工方法有环形法、台阶法和全断面法等，研究不同的开挖方法以及开挖后采用不同的支护结构对围岩稳定性影响有很大的意义。

本文以某高速公路隧道为施工背景，大部分隧道为Ⅳ级围岩，其围岩特性较差，选岩质较差的Ⅳ级围岩为对象，做三种施工方法的对比，并在比较得出的开挖方法中选用不同的支护结构从而得出在这种地质条件下的最优施工方法和初级支护结构，并优化施工支护参数。

1 开挖方法的比较分析

运用有限元软件模拟开挖的台阶法、环形法以及全断面法。本构关系采用ducker-prager屈服准则，梁单元的力学模型与围岩的二维连续体力学模型结合在一起计算，考虑初级支护锚杆和喷射混凝土的相互作用。

由于各项施工参数设定相同，这样就保证了围岩的应力场和位移场的相同。根据计算结果可以得到应力的极值主要出现在隧道的周边上，所以位移以及应力的取点位置取在隧道周围的拱顶、拱肩、拱腰、拱脚以及拱底部分。经过对特殊点的观测得到隧道的拱顶较不稳定，有较大的沉降，在应力达到一定的范围后会产生掉块，坍塌情况，在拱底由于较大的压应力会向上拱起；在拱肩和拱脚处会产生小范围的应力集中现象，达到围岩的屈服强度后会引起拱脚部位的局部破坏。

经过对比知环形法的开挖应力相对较小，在拱腰和拱底出现应力集中现象，但区域相对较小，在拱脚和拱顶处出现拉应力，相对其他方式，这种拉应力也较小。在拱腰处台阶法开挖会产生塑形区域，而环形法开挖则不会产生。经过综合比较环形方式的开挖对隧道产生的应力小，且不容易产生塑性变形。

2 支护的时机对隧道围岩变形的影响

初级支护的时间是通过开挖后的荷载释放率来确定的，开挖后及时进行初级支护荷载的释放率为零，这时支护承担所有的围岩变形应力；开挖后经过较长的一段时间等到围岩变形稳定后进行支护结构，这时的围岩荷载释放率为1，支护结构承担的荷载较小；在这两种极限情况之间取不同的荷载释放率0.25、0.5、0.75。不考虑初始地应力的释放情况，围岩应力直接作用在初级支护上，支护和围岩协调变形。

采用有限元分析软件，围岩采用二维平面应变单元来模拟，通过提高喷锚加固区的围岩参数来模拟锚喷支护结构。隧道横向取洞径的3倍长，竖向往上到地面，往下取3倍洞径。支护结构在隧道附近时采用较密的网格划分，较远出网格划分相对稀疏。

计算结果可知洞周围岩位移运动趋势皆指向洞内。随着荷载释放率的增大，

即在初期支护延时的情况下，围岩在开挖后自身位移不断增长。在荷载刚开始释放，释放率为0、0.25时拱顶沉降大于水平收敛，释放率为0.5时两者大致相等，围岩应力继续释放时水平收敛大于拱顶沉降。经过分析得到支护过晚时的围岩位移已经超过隧道的稳定控制标准，初期支护时间太晚，有可能造成隧道的坍塌。

围岩塑性区随着荷载释放率的增大而增大，塑性区最先出现在底部，拱墙上会随着支护

时间的增加出现塑性变形。所以初级支护参与共同作用时间越早越好，这是因为Ⅳ级围岩自身承能力低，初级支护太晚的话，塑性区域增大到拱墙以上容易造成围岩松弛，严重时产生坍塌。

通过初级支护和围岩的接触应力，观测两者的协调变形。得到径向应力在洞周处最小，随着离隧道中心距离的增大而增大，环向应力则相反，在洞周处最大，且随着离隧道中心距离的增大而减小；结构的应力主要为负值，支护主要承载压应力；随着荷载释放率的增大径向和环向应力都在减小，围岩的自承能力发挥较多的作用。

3 初期支护参数优化

对不同初期支护厚度、锚杆长度及钢架间距的变形控制效果进行对比分析，分别采用不同的混凝土厚度、锚杆长、锚杆间距以及型钢间距。

从支护参数上来看，V级围岩条件下，国内外的隧道一般都设有辅助施工措施，多采用管棚或小导管注浆进行超前支护；在Ⅳ级围岩条件尤其是浅埋偏压情况下一般都采用I字钢或格栅钢架作初期支护，二次衬砌在Ⅳ级围岩条件下多采用钢筋混凝土，Ⅲ级以下围岩多采用素混凝土，由于素混凝土结构为脆性结构，不能形成塑性铰，因而无法进行内力的调整，由于地下结构受力的不确定性，在局部压力作用下，结构受力最不利位置将发生掉块、脱落等破坏，若为钢筋混凝土结构，结构将自行进行内力调整，一般不可能产生像掉块之类直接危及行车安全的破坏，因此，建议二次衬砌多采用钢筋混凝土，当计算不需要配筋时可进行构造配筋。

隧道衬砌一般采用复合式衬砌和整体式衬砌，目前施工的隧道中使用较多的是复合式衬砌，复合式衬砌的支护参数设计应综合考虑使用要求、工程地质和水文地质条件、围岩级别、隧道埋深及隧道断面形状、开挖方法、施工顺序和断面的闭合时间等条件，通过工程类比和结构计算综合分析确定。

一般的Ⅳ级围岩条件下，采用喷射混凝土，其设计强度一般不低于C20，围岩松散、稳定性极差的土岩体中，可采用喷射钢纤维混凝土，其设计强度一般不低于C25，喷射混凝土厚度应不小于5cm，不大于25cm，隧道喷混凝土一般配合使用单层？准6.5钢筋网，钢筋间距150-250mm，隧道系统锚杆一般采用？准25-？准27中空注浆锚杆和砂浆锚杆，对于岩体破碎、成孔困难的围岩，可采用？准27-？准32自进式锚杆，锚杆露头部分加垫板，锚杆长度根据围岩地质情况确定。钢架支撑一般用在地质条件较差，自稳时间短、初期变形大的地层中。隧道的洞口浅埋段及围岩中常用到钢架支撑。隧道的钢架支撑常用格栅钢架、工字钢钢架，也有用到型钢架，钢架间距根据地质情况一般为0.6-1.0m。

4 影响隧道围岩变形的影响因素分析

4.1 地质构造

主要是指褶皱和断裂对岩层的破坏，在长期的构造变动下，岩体构造的裂隙发育，岩体的稳定性降低，隧道在建设时要尽量的避免在构造复杂的地段通过。路线选择上要选择构造变化较少，岩层较硬的地段，无法避免时保证隧道横穿褶