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泥质粉砂岩地质条件下隧道支护过程仿真分析

2024-11-01 60 上传者：管理员

摘要：文章依托某高速公路强风化、中风化泥质粉砂岩地质下隧道洞身段施工，采用Midas GTS软件对隧道洞身掌子面的施工过程进行模拟分析，通过对隧道开挖、初期支护、仰拱回填及二次衬砌施工过程进行分析，得到了不同工况下隧道岩体的变形、结构应力和锚杆轴力数值变化规律，并与隧道实际施工现场的监测数据进行对比。结果表明：实测数据与仿真数据结果基本吻合，数值仿真可有效指导实际施工，也进一步证明了项目的支护措施可起到有效加固隧道围岩的作用。

关键词：
初期支护
泥质粉砂岩
监控量测
锁脚锚杆
隧道工程
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隧道支护技术作为隧道工程施工控制的重要措施，近年来在隧道工程进洞施工中得到了重点研究和广泛应用，支护施工的时机和支护各项参数的选择尤为重要。针对中风化、强风化泥质粉砂岩隧道而言，隧道围岩岩体的节理较发育，岩体发育较完整呈中厚构造，整体稳定性差，围岩强度较低，岩体的软化系数小、耐水性差，浸水容易软化崩解[1]。在隧道施工过程中面临很大的考验，若支护不及时或支护强度不足，可能导致隧道初支面围岩发生不均匀沉降或严重变形，超出隧道规定的最大预留变形量，更严重者可能导致隧道发生坍塌冒顶[2-3]。

近些年，随着岩土有限元计算分析软件的逐步发展和成熟，工程中越来越多地采用有限元计算分析指导工程实际施工。刘石磊[4]采用ABAQUS软件分析了浅埋暗挖隧道支护的受力特征，并通过现场实际监测验证了仿真计算结果的正确性。贺志勇等[5]以某公路隧道工程为依托，采用Midas GTS软件分析了衬砌裂缝对隧道结构安全的影响规律，较好地实现了对隧道薄弱部位的预判。赵慧龙等[6]以某欧洲隧道工程为依托，采用Midas GTS软件分析了隧道洞口下穿公路的施工全过程受力变形，实现了理论对实际的指导作用。黎略[7]采用Midas GTS软件对云南冲山隧道的开挖过程进行数值模拟，为支护设计方案提供了有力的理论支撑。现有的研究成果很少有对泥质粉砂岩地质环境下的隧道洞身施工进行分析，且很少有将Midas GTS软件分析结果与实测数据对比分析该软件的计算效果。

基于此，本文以某高速公路泥质粉砂岩地质下隧道施工为依托，研究了泥质粉砂岩隧道施工支护的技术，通过模拟隧道支护关键施工过程，对支护的各个施工阶段进行仿真模拟，对特定支护参数下隧道施工安全进行分析，通过监测变形值来验证理论计算值及围岩的稳定程度。

1、工程概况

某隧道为山区高速公路建设中穿越的一座特长隧道，设计最大埋深约为363 m,洞身开挖最大高度为10.4 m,洞身宽13.42 m,为分离式隧道。

隧道围岩总体设计为Ⅳ～Ⅴ级，岩层主要以强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩为主，构造呈中厚层状，节理裂隙较发育，岩体破碎。选取桩号为K25+488处隧道洞身段断面进行研究分析，该隧道地质依次由上往下为强风化砂岩及中风化砂岩，其中强风化砂岩的平均厚度为17.4 m,洞身埋深约为33.8 m。

2、设计参数

2.1隧道支护参数(图1)

图1隧道支护参数示意图

2.1.1初期支护

隧道洞身段施工时，先进行C25混凝土初喷封闭掌子面，再开始架设14#钢拱架+ϕ8mm钢筋网片@20cm×20cm实行初步支护，最后再次使用C25混凝土复喷，其中喷射C25混凝土的总厚度为20cm,预留变形值为7cm。复喷完成后先施作系统锚杆。系统锚杆采用22#药卷锚杆，长度为3m,呈梅花形布置，布设间距为100cm(环向)×100cm(纵向),在拱脚位置左右两侧共设置2组2根22#药卷锚杆，长度为3m,通过U型钢筋与钢拱架焊接牢固[8]。

2.1.2仰拱支护

仰拱开挖后，先喷射C25混凝土20cm,再施作C30混凝土衬砌仰拱，厚度为40cm,最后使用素混凝土进行填充，回填到设计标高。

2.1.3二次衬砌

使用全断面液压衬砌台车整体浇注工艺施工，采用无钢筋结构的C30防水混凝土衬砌40cm。

2.2岩体与支护结构参数

根据设计勘测和钻探报告，隧道岩土体与相关支护结构物理力学参数按表1取值。

表1岩土体与结构材料物理力学参数表

3、结构计算与分析

3.1建立有限元模型

采用Midas GTS软件建立隧道K25+488处掌子面有限元分析模型(见图2),模型左侧高度为43m,底部长度为174m,右侧高度为113.8m,模型左上角位置岩体变化走向为斜向下方向，左右两侧荷载不均匀。为保证模型计算的精确度，隧道网格尺寸按0.5m控制，岩体网格尺寸按2.0m控制。对模型的边界侧边采取x约束，底边采取xy约束，主要承受静力荷载为自重。

图2隧道有限元模型图

隧道施工模型按核心土法进行施工，计算各类支护结构的内力和位移情况，并依次进行了分析，共分为6个阶段。

(1)开挖土体前设置为初始阶段。

(2)开挖1:开挖上部环形导坑，对上部开挖环向断面进行初期支护，并施加系统锚杆，拱腰处施加上部锁脚锚杆。

(3)开挖2:开挖上部核心土、下部土体两侧，对开挖断面两侧进行初期支护，在拱腰施加系统锚杆，在拱脚处施加下部锁脚锚杆。

(4)开挖3:开挖下部核心土、仰拱，对仰拱底部进行初期支护。

(5)浇筑仰拱及仰拱填充。

(6)浇筑二次衬砌。

材料的有限元参数取值如表2所示，总单元数量为4 397个，总节点数为4 466个。

表2各类材料的有限元参数表

3.2数值模拟结果分析

3.2.1围岩变形

将初始状态下的隧道位移清零，对开挖施工后5种工况下隧道模型的拱顶最大沉降、拱底变形、两侧横向最大位移进行分析，变化趋势如图3、图4所示，其变形值汇总如下页表3所示。

图3拱顶、拱底变形整体趋势云图

图4隧道周边横向位移趋势云图

表3隧道拱顶沉降、拱底变形、周边位移统计结果表

根据图3～4和表3所示，拱顶在开挖上部环形导坑时最大沉降值为1.68cm,在施作二衬时达到最大为1.76cm,施工过程中拱顶沉降波动较小，基本能保证在一个稳定的水平，满足技术规范上的要求。最大变形位置位于拱顶右上方，分析其原因为岩层及山体顶部走向为斜向左下方，因洞身埋深不大，山体右侧对隧道拱顶位置施加了偏压受力导致最大沉降位置向右移动。拱脚最大变形处位于隧道中线底部，在开挖上部核心土和下部两侧、开挖下部核心土和仰拱后的变形值分别为0.3cm、0.24cm,仰拱开挖后达到最大变形为2.20cm,在施作仰拱及仰拱填充后变形基本达到稳定。周边最大位移位于隧道拱腰位置，在开挖下部两侧土后变形值达到最大为0.29cm,之后基本达到稳定。

根据数据结果和变化趋势分析，该隧道支护结构下隧道整体沉降和变形能达到基本稳定。

3.2.2锚杆轴力

在隧道工程进尺过程中，随围岩的变化通常采取不同锚杆支护形式，起到的效果也不同。开挖上部核心土、土体下部两侧工况下系统锚杆轴力、锁脚锚杆轴力如图5、图6所示。

图5隧道系统锚杆轴力分布云图

图6隧道锁脚锚杆轴力分布云图

由图5～6可知，系统锚杆轴力较大值主要分布在拱顶-拱腰右侧的位置，从左往右呈现出由小变大的趋势，其最大值位于锚杆的端头位置，系统锚杆所受最大轴力为88.6kN;两侧锁脚锚杆所受最大轴力为119.5kN,较系统锚杆大，锚杆主要表现为受拉，仅少数锚杆为受压。分析可见，隧道洞身段施工中锚杆能起到实际的支护效果，及时施作锁脚锚杆，可确保隧道洞身段施工的安全稳定。

3.2.3初支应力

施作初期支护的三个阶段应力计算结果如图7所示。据图7分析可知，初期支护轴力基本呈对称形式分布，两侧边墙位置承受应力更大，拱顶和拱脚位置承受应力较小。初支承受压力最大值为2 555kN,位于左侧拱腰位置，因此在开挖上部环形导坑时需要尽快完成初期支护，构建防护体系，同时减小围岩掉块等安全风险。

图7隧道初期支护轴力分布云图

3.3工程应用效果

隧道施工严格按照《公路隧道施工技术规范》(JTG/T3660-2020)的要求，通过监控量测掌握围岩和支护动态信息，判断围岩稳定性及支护可靠性，采用TS09PLUS全站仪配合反光片在拱顶、拱腰处布设监测点。

隧道变形监测更为直观、简便，开挖后选择洞身段拱顶沉降值进行监测，由拱顶沉降计算和实际监测值对比分析，在初始开挖上部环向导坑阶段拱顶发生较大的沉降变形，开挖过程中有持续沉降的情况，在仰拱开挖完成后沉降值基本达到稳定。从沉降数值上分析，实际沉降值始终比计算沉降值小，且在开挖三个阶段中都存在变形，沉降变化的趋势基本和计算模型相似(见图9)。

图9拱顶沉降对比曲线图

在开挖上部核心土和下部土体两侧前对周边位移布置监测点，监测持续到二衬施作前，现场实际变形基本维持在0.41～0.45cm,也基本符合模型计算中保持稳定的情况。

4、结语

(1)隧道开挖过程中，岩层的走向和力学特性影响着隧道变形、锚杆轴力和初支应力的极值大小与位置，其中拱腰处系统锚杆和两侧锁脚锚杆起到了重要效果，此设计支护结构下隧道整体沉降变形和受力方面能满足技术规范的要求。

(2)泥质粉砂岩隧道岩体地质变化大，围岩实际的破碎程度和特性与设计并非一致，实际监测沉降值与理论计算值存在差距，但在变化趋势上围岩的沉降及变形符合计算理论的分析，可以结合实际情况对模型的计算分析进一步拓展。

参考文献:

[1]何成素.公路隧道软岩大变形及支护施工技术[J].四川建材,2022,48(4):189-191.

[2]侯艳娟,张顶立,李奥.隧道施工塌方事故分析与控制[J].现代隧道技术,2018,55(1):45-52.

[3]邱效俭.隧道施工塌方事故致因及防控措施研究[J].技术与市场,2023,30 (2):79-82.

[4]刘石磊.基于有限元模拟的浅埋暗挖隧道稳定性分析[J].现代隧道技术,2022,59 (S2):54-62.

[5]贺志勇,钟宏武,陈振华.带裂缝隧道衬砌的安全评价及有限元分析[J].隧道建设(中英文),2019,39 (S2):69-77.

[6]赵慧龙,宋战平,王军保.某矿山法施工隧道下穿公路数值模拟分析[J].现代隧道技术,2019,56 (S2):340-346.