祁寶貴

（中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司，北京 100844）

中國(guó)是世界上隧道工程規(guī)模大、數(shù)量多和施工難度大的國(guó)家［1］。圍巖變形大、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、變形速率快等是軟巖隧道施工的難點(diǎn)。櫻井春輔［2］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)給出了隧道節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度與極限應(yīng)變的關(guān)系。楊忠民等［3］揭示了隧道開(kāi)挖埋深增大過(guò)程中位移和應(yīng)力的變化規(guī)律。孫闖等［4］將收斂-約束法應(yīng)用到高地應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)中，分析了隧道軟弱圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形破壞特征。胡波等［5］基于數(shù)值模擬方法提出了節(jié)理巖體參數(shù)的確定方法。張妍珺等［6］基于收斂-約束法采用有限差分法分析了圍巖變形特征，并提出了變形曲線修正公式。

現(xiàn)階段對(duì)軟巖隧道大變形的支護(hù)措施及控制變形方法仍沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及圍巖穩(wěn)定性分析仍然是軟巖隧道的難題。本文以贛深鐵路廣東段銀瓶山隧道為工程背景，基于Hoek-Brown 屈服準(zhǔn)則建立節(jié)理巖體應(yīng)變軟化模型，通過(guò)FLAC 3D 進(jìn)行不同工況的數(shù)值計(jì)算，分析應(yīng)變軟化模型在隧道軟弱圍巖大變形分析中的適用性，并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

1 節(jié)理巖體應(yīng)變軟化模型

1.1 Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則

Hoek 和 Brown 基于 Griffith 的脆性斷裂理論，通過(guò)對(duì)室內(nèi)巖石三軸試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，提出了Hoek-Brown 屈服準(zhǔn)則，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)與修正，在2002 年提出將爆破損傷和應(yīng)力釋放對(duì)圍巖強(qiáng)度的影響考慮進(jìn)巖體擾動(dòng)系數(shù)D（取值范圍0～1）中，并對(duì)Hoek-Brown常數(shù)進(jìn)行了修正。其表達(dá)式［7］為

式中：σ1，σ3分別為隧道圍巖破壞時(shí)的最大、最小主應(yīng)力；σc為完整巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度；mb為Hoek-Brown常數(shù)mi（反映巖體軟硬程度）的折算值；s，a均為巖體的Hoek-Brown常數(shù)。

式中，GSI為圍巖地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)。

1.2 基于Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則的應(yīng)變軟化模型

考慮巖體應(yīng)變軟化時(shí)，彈塑性屈服準(zhǔn)則為

式中：σθ為圍巖切向應(yīng)力；σγ為圍巖徑向應(yīng)力；η為巖體的應(yīng)變軟化系數(shù)。

簡(jiǎn)易應(yīng)變軟化模型曲線如圖1 所示。當(dāng)η=0時(shí)巖體處于彈性變形狀態(tài)；當(dāng)0＜η＜η*（η*為巖體彈性變形達(dá)到峰值后的軟化系數(shù)）時(shí)巖體處于應(yīng)變軟化狀態(tài)；當(dāng)η＞η*時(shí)巖體處于殘余變形狀態(tài)。

在基于Hoek-Brown 屈服準(zhǔn)則的應(yīng)變軟化模型中，假定mb和s隨η線性衰減，則該應(yīng)變軟化模型可以轉(zhuǎn)化為

圖1 簡(jiǎn)易應(yīng)變軟化模型曲線

式中：mp，mr分別為圍巖峰值地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)、殘余地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)應(yīng)的Hoek-Brown參數(shù)。

2 軟巖隧道圍巖變形特性數(shù)值模擬分析

2.1 工程背景

銀瓶山隧道位于廣東省東莞市，全長(zhǎng)9 813.37 m，隧道長(zhǎng)度為9 695.37 m。Ⅱ級(jí)圍巖段長(zhǎng)5 120 m，占52.2%；Ⅲ級(jí)圍巖段長(zhǎng)3 370 m，占34.3%；Ⅳ級(jí)圍巖段長(zhǎng)920 m，占9.4%；Ⅴ級(jí)圍巖段長(zhǎng)285.37 m，占3%。其中，研究區(qū)段K32+240—K34+180 段隧道圍巖為泥巖，地下水為構(gòu)造裂隙水，富水性好，圍巖穩(wěn)定性差。圍巖節(jié)理如圖2所示，隧道斷面尺寸如圖3所示。

圖2 銀瓶山隧道軟巖的節(jié)理

圖3 隧道斷面尺寸（單位：m）

2.2 參數(shù)的選取

根據(jù)對(duì)研究區(qū)段的勘測(cè)結(jié)果，圍巖峰值地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSIp）取44，圍巖殘余地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSIr）取26，mi取8，計(jì)算得到圍巖的力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。其中：E為隧道圍巖的彈性模量；ν為圍巖的泊松比；sp，sr分別為圍巖峰值地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)、殘余地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)應(yīng)的Hoek-Brown參數(shù)。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

初始支護(hù)結(jié)構(gòu)采用系統(tǒng)錨桿（長(zhǎng)2.2 m，間距×排距為1.0 m×1.0 m）+噴射混凝土（厚0.15 m）組合支護(hù)。支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)［8］中公式計(jì)算得到，見(jiàn)表2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 模型的建立

數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖4。初始地應(yīng)力P為7.5 MPa，側(cè)壓力系數(shù)λ為0.6。模型由179 820 個(gè)單元組成。初期支護(hù)依據(jù)實(shí)際工程情況模擬，不考慮二次襯砌的作用。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

2.4.1 不同計(jì)算模型對(duì)分析結(jié)果的影響

分別采用基于Hoek-Brown 屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型和應(yīng)變軟化模型計(jì)算得到全斷面開(kāi)挖時(shí)圍巖縱向變形曲線、圍巖（支護(hù)）壓力曲線，見(jiàn)圖5。

圖5 圍巖縱向變形曲線、圍巖（支護(hù)）壓力曲線

由圖5（a）可知：采用基于Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則的應(yīng)變軟化模型計(jì)算所得隧道軟弱圍巖變形量明顯大于彈塑性模型的計(jì)算結(jié)果。

由圖5（b）可知：隧道每循環(huán)開(kāi)挖1.6 m 后施作初期支護(hù)時(shí)，彈塑性模型的圍巖壓力曲線與錨桿及混凝土的支護(hù)壓力曲線的彈性部分相交，說(shuō)明采用彈塑性模型分析時(shí)錨桿及混凝土的支護(hù)強(qiáng)度能滿(mǎn)足要求；而應(yīng)變軟化模型的圍巖壓力曲線未與支護(hù)壓力曲線的彈性部分相交，說(shuō)明采用應(yīng)變軟化模型分析時(shí)錨桿及混凝土的支護(hù)強(qiáng)度不能滿(mǎn)足要求。在實(shí)際工程中，軟弱圍巖具有明顯的應(yīng)變軟化特征，所以在進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析時(shí)，采用應(yīng)變軟化模型更加符合實(shí)際情況。

2.4.2 隧道圍巖-支護(hù)相互作用

隧道斷面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖位移隨支護(hù)壓力變化曲線見(jiàn)圖6?？芍焊鞅O(jiān)測(cè)點(diǎn)所需的支護(hù)壓力并不相同，頂部和底部所需的支護(hù)壓力要大于隧道肩部、邊墻和墻腳。所以在進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，隧道的拱頂及底部需要更高的安全系數(shù)，以達(dá)到支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

圖6 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖位移隨支護(hù)壓力變化曲線

2.4.3 支護(hù)方案

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況（圍巖強(qiáng)度低，開(kāi)挖過(guò)程中圍巖收斂變形大，支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損現(xiàn)象），提出采用掌子面預(yù)加固與超前錨桿相結(jié)合的支護(hù)措施。先對(duì)掌子面預(yù)加固（采用直徑108 mm、長(zhǎng)10 m 的玻璃纖維錨桿），施作超前錨桿（直徑19 mm、長(zhǎng)2.2 m 的鋼錨桿）；再施作系統(tǒng)錨桿（直徑22 mm、長(zhǎng)2.2 m）+噴射混凝土（C30混凝土厚15 cm）支護(hù)。支護(hù)方案如圖7所示。

圖7 支護(hù)方案示意

圖8 不同支護(hù)條件下隧道圍巖變形曲線

通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到不同支護(hù)條件下隧道圍巖變形曲線，見(jiàn)圖8。可知：相對(duì)于無(wú)支護(hù)時(shí)，施作超前錨桿圍巖水平收斂可減小32%，掌子面預(yù)加固圍巖水平收斂可減小38%，說(shuō)明采用該支護(hù)方案能夠滿(mǎn)足支護(hù)要求。

3 支護(hù)方案的實(shí)施與監(jiān)測(cè)

3.1 施工方法

1）掌子面預(yù)加固

掌子面預(yù)加固采用玻璃纖維錨桿，利用錨桿鉆機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)錨桿孔參數(shù)向隧道掌子面內(nèi)鉆取多個(gè)錨桿孔，插入預(yù)設(shè)長(zhǎng)度的錨桿，注入填充材料［9-10］。隨后噴射C30 混凝土，厚25 cm，混凝土抗壓強(qiáng)度為28 MPa。

2）施作超前錨桿

采用超前支護(hù)控制拱頂位移及掌子面變形。超前支護(hù)為鋼拱架（型號(hào)HW175）+超前錨桿。采用YT-28型風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔，鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，利用高壓風(fēng)清孔，清孔結(jié)束后采用風(fēng)鉆將錨桿頂入，錨桿尾端外露長(zhǎng)度適中。超前錨桿尾部焊接在鋼拱架外緣，成為一體。超前錨桿孔位鉆設(shè)偏差不超過(guò)10 cm。錨桿插入后再插入注漿管，注漿壓力為1.0～1.5 MPa［11-12］。當(dāng)注漿壓力達(dá)到終壓不少于20 min，進(jìn)漿量仍達(dá)不到注漿終量時(shí)，亦可結(jié)束注漿。注漿結(jié)束后，將管口封堵，以防漿液倒流管外。

3）錨噴支護(hù)

系統(tǒng)錨桿支護(hù)的間距×排距為0.8 m×0.8 m，長(zhǎng)2.2 m；噴射混凝土厚15 cm。在平整的土坡面上由技術(shù)人員測(cè)出錨桿位置，并作出標(biāo)記和編號(hào)，成孔傾角誤差不大于±3°。噴射混凝土施工前保持圍巖壁面平整。初期支護(hù)內(nèi)的鋼筋網(wǎng)應(yīng)牢固在圍巖上，鋼筋網(wǎng)片可用插入圍巖中的鋼筋固定，在噴射混凝土?xí)r應(yīng)不出現(xiàn)振動(dòng)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)在銀瓶山隧道拱頂、拱肩和墻腳布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖9。可知：采用該支護(hù)方案后圍巖最大變形量控制在10 cm 范圍內(nèi)，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合，取得了理想的支護(hù)效果。

圖9 隧道斷面變形監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)論

1）在實(shí)際工程中，軟弱圍巖具有明顯的應(yīng)變軟化特征，采用基于Hoek-Brown 屈服準(zhǔn)則的應(yīng)變軟化模型計(jì)算所得的隧道軟弱圍巖變形量明顯大于采用理想彈塑性模型的計(jì)算結(jié)果。應(yīng)變軟化模型的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合。

2）根據(jù)隧道開(kāi)挖過(guò)程中軟弱圍巖變形量較大的實(shí)際情況，提出掌子面預(yù)加固及超前錨桿相結(jié)合的支護(hù)方案，取得良好效果。