近水平岩层状围岩公路特长隧道支护参数优化研究.pdf

自然界中具有层状构造的沉积岩约占陆地面积的2/3，水平层状围岩大量分布，在高速公路隧道建设中经常遇到水平层状围岩，由于具有层状结构，岩体变形及强度性质具有明显的各向异性，岩体的破坏方式及破坏形态很大程度取决于结构面及岩石裂隙发育情况1。工程实践中，级水平岩层围岩隧道拱顶掉块及模塌方时有发生，给隧道施工带来了严重的安全隐患；因此，完善水平岩层支护参数，进行针对性设计，对保证安全施工、提高围岩稳定性及节约投资具有重要意义23。近水平岩层状围岩公路特长隧道支护参数优化研究罗袁羲1，彭文辉1，张美琴2，彭坤2*（1.中铁宜宾投资建设有限公司，四川 宜宾 644000；2.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）Optimization Study of Support Parameters for Long Highway Tunnels in CloseProximity to Horizontal Layered Rock Masses on HighwaysLUO Yuanxi1，PENG Wenhui1，ZHANG Meiqin2，PENG Kun2*（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 rockformations.Through the study of failure characteristics in tunnels with nearly horizontal rock strata，numericalcalculations，monitoring feedback methods，and the consideration of the deteriorative effects of blasting onsurrounding rock and structural planes were employed.This analysis evaluated various parameters，such asdisplacements 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 horizontalstrata，it is feasible to eliminate anchor rods in the sidewall area and only install them within the arch crownzone，resulting in approximately 40%reduction in anchor rod quantity，thereby saving costs and ensuringsafety while also shortening the construction period.【Key words】：close horizontal rock strata；long highway tunnel；support parameters【摘要】：考虑近水平岩层拱顶及拱墙处的破坏特征存在明显的差异，对近水平岩层隧道的破坏特征进行研究；采用数值计算及监测反馈的方法，考虑爆破对围岩及结构面的劣化作用，分析隧道各个部位的位移、锚杆轴力等数值，提出近水平岩层优化方案。研究结果表明，近水平岩层深埋硬岩隧道，可取消拱墙部位的锚杆，仅在拱顶范围设置，可节省系统锚杆约40%的工程量，能够节约资金和保证安全,同时也缩短了工期。【关键词】：近水平岩层；公路；特长隧道；支护参数【中图分类号】：U451.2【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）05-31-05【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.05.008收稿日期：2022-12-01作者简介：罗袁羲（1990-），男，工程师，从事隧道工程设计管理工作。通讯作者：彭坤（1988-），男，高级工程师，从事隧道及地下工程设计工作，E-mail：。天津建设科技Tianjin Construction Science and Technology第33卷 第5期2023年10月市政工程Municipal Engineering31近年来，爆破对围岩的损伤是工程领域研究的热点。理论研究认为爆炸导致岩体损伤的主要原因是应力波的传播、反射及相互之间的作用使岩体的裂纹激活、扩展；宏观上损伤力学理论将岩体视为具有原始缺陷的连续材料，即岩体是包括很多裂隙的连续体，损伤可以看作由于爆炸作用使原有裂隙张开、扩展，从而导致岩体力学性能的“劣化”。本文针对近水平围岩结构特性，依托宜威高速上罗特长隧道工程，采用数值模拟计算结合现场监测数据反馈的方法，考虑爆破施工对围岩的损伤作用，分析近水平围岩隧道变形、锚杆轴力等特征，提出系统锚杆支护优化方案，论证优化方案合理性。1 工程概况上罗隧道为双向行驶的双洞四车道高速公路隧道，设计速度80 km/h，左右洞长度分别为7 066、7 032m。隧道主要穿越三叠系强风化中风化泥质粉砂岩，薄层中厚层状构造，岩体较破碎破碎，平均单轴饱和抗压强度30.6 MPa；三叠系强风化中风化泥岩，薄层状构造，岩体破碎，平均单轴饱和抗压强度24.5 MPa；三叠系强风化中风化灰岩，薄层中厚层状构造，岩体较破碎破碎，平均单轴饱和抗压强度35.6 MPa；三叠系强风化中风化泥质灰岩，薄层中厚层状构造，岩体较破碎破碎，平均单轴饱和抗压强度26.2 MPa。级围岩长度2 420 m、级围岩长度3 258 m、级围岩长度1 388 m。工程区主要发育2组优势节理，分别为：产状，1001106084，密度约35条/m；产状，3103305080，密度约25条/m。隧道区地下水主要为基岩裂隙水，构造相对较少发育、含水量较贫乏，开挖后，隧道洞壁干燥，局部地段潮湿。2 隧道初期支护参数优化原隧道支护参数分别选取主洞、级围岩深埋衬砌类型。见表1。锚杆的具体优化方案：1）b型衬砌取消拱顶120范围外的系统锚杆，拱顶30范围内采用短锚杆，拱顶3060采用长锚杆并增加超前支护，钢架及二衬参数保持不变，见图1；2）b 型衬砌拱顶 120范围外的系统锚杆，拱顶30范围内采用短锚杆，拱顶3060采用长锚杆，钢架及二衬参数保持不变，见图2；表1隧道设计支护参数衬砌类型b喷混凝土厚度/cm18锚杆规格22 mm砂浆锚 杆 长 2.5m；1.2 m1.2m拱、墙钢架规格格栅钢架1.2 m超前支护二衬厚度35 cm素混凝土a）设计衬砌断面22 mm砂浆锚杆，L=2.5 m120 mm120 mm（环纵），梅花形布置隧道中心线18 cm厚C25喷射混凝土8 mm钢筋网（间距25 mm25 mm）格栅钢架间距120 mm预留变形量5 cm350 g/m2无纺布防水卷材35 cm厚模筑C30素混凝土O118 cm厚C25喷射混凝土8 mm钢筋网（间距25 mm25 mm）格栅钢架间距120 mm预留变形量5 cm350 g/m2无纺布防水卷材35 cm厚模筑C30素混凝土22 mm砂浆锚杆，L=2.0 m120 mm120 mm（环纵），03022 mm 砂 浆锚杆，L=3.0 m120 mm120 mm（环纵），3060300300300300隧道中心b）优化后衬砌断面图1b型衬砌续表1衬砌类型bb喷混凝土厚度/cm2224锚杆规格25 mm中空锚 杆 长 3.0m；1.2 m1.0m拱、墙25 mm中空锚 杆 长 3.5m；1.2 m0.8m拱、墙钢架规格格栅钢架1.0 m18#工字钢0.8 m超前支护25 mm超前锚杆 长 4.5 m；拱顶 128 范 围；0.45 m（环向）、2.4 m（纵向）42 mm超前小导 管 长 4.5 m；拱顶128范围；0.4 m（环向）、2.4 m（纵向）二衬厚度40 cm素混凝土45 cm 钢筋混凝土天津建设科技第33卷 第5期市政工程Municipal Engineering323）b 型衬砌拱顶 130范围外的系统锚杆，拱顶35范围内采用短锚杆，拱顶3566采用长锚杆，钢架及二衬参数保持不变，见图3。3 数值模拟计算当前，对岩体爆破损伤范围的研究主要是基于损伤理论，通过数值模拟来讨论不同爆破条件下岩体的损伤状态。根据已有的损伤模型，在损伤度D达到1时，岩体处于完全破碎状态。当爆前爆后波速降低率10%时，即判定岩体受到爆破损伤破坏，其对应的损伤度 D 的损伤阈值为 0.19。当损伤度 D0.19时，认为岩体损伤较轻或未受损伤。在钻爆条件下，炮孔附近岩体处于完全破碎状态(D=1)并与基岩分离，属于可开挖岩体；而随着爆生裂纹沿着炮孔径向扩展，裂纹密度逐渐减少，岩体逐步趋于无损状态(D0.19)，成为保留岩体4。岩体损伤通常被定义为岩体性质的劣化，表现在岩体强度、黏聚力、完整性、声波速度等方面，风化、地质运动、地震及爆炸等外界作用均会造成岩体的损伤。根据岩体损伤理论，岩体结构中存在着大量的微裂纹，爆炸荷载会激活岩体结构中的微裂纹成为活化裂纹，随着活化裂纹聚集扩展，形成宏观爆生裂纹，造成岩体物理和力学性质的降低。在表征岩体性质劣化程度上，通常采用的指标是损伤度D。岩石中的原生细微裂纹，与晶粒属于一个数量级，岩体性质劣化是由被激活的裂纹所引起的，裂纹数服从双参数的威布尔分布。根据损伤理论，则损伤状态下的等效弹性模量E与损伤度D的关系为E=（1-D）E（1）式中：E为无损状态的弹性模量；E为损伤状态的等效弹性模量。损伤状态下的等效黏聚力c 与损伤度D的关系为c =（1-D）c（2）式中：c为无损状态的黏聚力；c 为损伤状态的等效黏聚力。假定爆破前后岩体的密度、泊松比、内摩擦角近似相等。搜集国内外有关项目的声波实测数据，统计临界破碎状态岩体的损伤度并最终确定其损伤阈值Dt为0.750.855。为评价优化方案的合理性，计算使用迈达斯GTSNX有限元软件，采用Mohr-Coulomb本构模型，爆破对岩体及结构面的削弱作用范围取0.7倍的洞泾，损伤度D取0.8。从围岩变形、锚杆轴力等分布情况隧道中心线8a）设计衬砌断面25 mm7 mm中空注浆锚杆，L=3.0 m120 mm100 mm（环纵），梅花形布置22 cm厚C25喷射混凝土8 mm钢筋网（间距25 mm25 mm）工16拱架（纵距100 mm）预留变形量8 cm350 g/m2无纺布防水卷材40 cm厚模筑C30素混凝土300300300300隧道中心25 mm7mm中空注浆锚杆L=3.5 m120 mm100 mm（环纵），306025 mm7 mm中空注浆锚杆，L=2.5 m120 mm100 mm（环纵），03022 cm厚C25喷射混凝土8 mm钢筋网（间距25 mm25 mm）工16拱架（纵距100 mm）预留变形量8 cm350 g/m2无纺布防水卷材40 cm厚模筑C30素混凝土b）优化后衬砌断面图2b型衬砌25 mm7 mm中空注浆锚杆，L=3.5 m120 mm80 mm（环纵），梅花形布置24 cm厚C25喷射混凝土8 mm钢筋网（间距20 mm20 mm）I18拱架（纵距80 mm）预留变形量10 cm350 g/m2无纺布防水卷材45 cm厚C30钢筋混凝土隧道中心线a）设计衬砌断面24 cm厚C25喷射混凝土8 mm钢筋网（间距20 mm20 mm）I18拱架（纵距80 mm）预留变形量10 cm350 g/m2无纺布防水卷材45 cm厚C30钢筋混凝土25 mm7 mm中空注浆锚杆，L=3.0 m120 mm80 mm（环纵），03025 mm7 mm中空注浆锚杆，L=4.0 m120 mm80 mm（环纵），3565300350350300隧道中心b）优化后衬砌断面图3b型衬砌罗袁羲，等：近水平岩层状围岩公路特长隧道支护参数优化研究第33卷 第5期市政工程Municipal Engineering33分析优化前与优化后的差异。3.1 计算模型根据设计文件及地质条件，分别取b、b、b型衬砌进行二维地层结构模型计算，对计算剖面定义了地质概化模型及有限元计算网格。见图4。计算参数见表2和表3。3.2 计算结果近水平岩层隧道变形主要以竖向沉降为主，水平位移较小，拱墙部分锚杆轴力明显较拱顶小；取消拱墙锚杆后，位移及锚杆轴力小幅增加，但变化不明显。见图5和图6。数值模拟结果表明,隧道开挖过程中采用支护优化后的方案可行,可以保证施工安全。4 优化方案的监测为验证所优化方案的合理性,施工过程中分别在、IV、级围岩主洞深埋隧道断面进行了多点位移及锚杆轴力监测。多点位移在掌子面开挖12周内收敛，拱顶沉降较拱腰变形明显要大，与数值模拟计算基本吻合；锚杆轴力在掌子面开挖后12周内区域稳定，锚杆轴力拱顶较大，拱腰对比拱拱顶明显要小。见图7-图9。a）b型衬砌b）b型衬砌c）b型衬砌图4计算模型表2围岩材料参数项目重度/（kNm-3）泊松比内摩擦角/（）变形模量E/GPa劣化后E/GPa黏聚力C/MPa劣化后C/MPab280.30431.30.263.50.70b280.35381.00.202.20.44Vb280.35351.00.202.00.40表3爆破参数kPa/m名称水平层面震动区水平层面破裂区切向刚度Ks1.51063.0105法向刚度Kn1.51073.0106位移/mm1.000.900.800.700.600.500.400.300.200.100bbbbbb未取消拱墙锚杆取消拱墙锚杆拱顶拱肩拱腰a）竖向图5支护参数优化前后位移b）水平未取消拱墙锚杆取消拱墙锚杆bbbbbb位移/mm1.000.900.800.700.600.500.400.300.200.100拱顶拱肩拱腰未取消拱墙锚杆取消拱墙锚杆bbbbbb轴力/kN454035302520151050拱顶拱肩拱腰图6支护参数优化前后锚杆轴力位移/mm1098765432102022-9-52022-9-72022-9-92022-9-112022-9-132022-9-152022-9-172022-9-192022-9-212022-9-232022-9-252022-9-272022-9-292022-10-12022-10-32022-10-52022-10-72022-10-92022-10-11拱顶（点1）左侧拱肩（点2）右侧拱肩（点3）左侧拱腰（点4）右侧拱腰（点5）日期a）多点位移天津建设科技第33卷 第5期市政工程Municipal Engineering34实测结果比模拟计算结果偏大，可能是因为爆破装药量较大，造成的围岩损伤度偏大，爆破对围岩的劣化作用比预期强。5 结论与建议数值模拟结果及监测反馈均显示，拱墙处的锚杆轴力很小，、IV、级围岩可优化系统锚杆仅在拱顶120130范围设置，采用长短锚杆区别设计，拱顶60范围采用短锚杆，60范围外采用长锚杆；不但能够节约资金、保证安全,同时也缩短了工期。所研究隧道围岩为近水平岩层，薄层中厚层构造，岩层属于较坚硬岩、结构面胶结较好、黏聚力较大，拱顶不会发生离层破坏，拱肩处拉应力较大，在爆破作用下，围岩及结构面劣化严重，容易出现离层破坏，建议在爆破设计时，适当减少掏槽眼装药量，控制粉碎区范围，避免掉块及超挖现场发生。参考文献：1梅松华.层状岩体开挖变形机制及破坏机理研究D.武汉：中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所），2009.2冯文凯，石豫川，王兴平，等.高速公路隧道水平层状围岩支护优化J.中国公路报，2009，22（2）：65-70.3常伟.高速公路隧道水平层状围岩锚杆支护参数优化研究J.国防交通工程与技术，2013，11（2）:60-64.4刘永胜，朱思源，杨小林，等.多次爆破对大跨度硐室围岩的损伤累积及松动圈范围研究J.爆破，2022，39（1）:9-15+35.5刘亮，卢文波，陈明，等.钻爆开挖条件下岩体临界破碎状态的损伤阈值统计研究J.岩石力学与工程学报，2016,35（6）:1133-1140.图7级围岩断面监测结果轴力/kN3025201510502022-9-102022-9-122022-9-14日期b）锚杆轴力2022-9-162022-9-182022-9-202022-9-222022-9-242022-9-262022-9-282022-9-302022-10-22022-10-42022-10-62022-10-82022-10-102022-10-122022-10-142022-10-16拱顶（点1）左侧拱肩（点2）右侧拱肩（点3）左侧拱腰（点4）右侧拱腰（点5）位移/mm141210864202022-9-192022-9-212022-9-232022-9-252022-9-272022-9-292022-10-012022-10-032022-10-052022-10-072022-10-092022-10-112022-10-132022-10-152022-10-172022-10-192022-10-212022-10-232022-10-252022-10-27拱顶（点1）左侧拱肩（点2）右侧拱肩（点3）左侧拱腰（点4）右侧拱腰（点5）日期a）多点位移轴力/kN141210864202022-9-152022-9-172022-9-192022-9-212022-9-232022-9-252022-9-272022-10-012022-10-032022-10-052022-10-072022-10-092022-10-112022-10-132022-10-152022-10-172022-10-192022-10-212022-10-23拱顶（点1）左侧拱肩（点2）右侧拱肩（点3）左侧拱腰（点4）右侧拱腰（点5）日期2022-9-29图8IV级围岩断面监测结果b）锚杆轴力位移/mm1816141210864202022-6-82022-6-102022-6-122022-6-14拱顶（点1）左侧拱肩（点2）右侧拱肩（点3）左侧拱腰（点4）右侧拱腰（点5）日期2022-6-162022-6-182022-6-202022-6-222022-6-242022-6-262022-6-282022-6-302022-7-22022-7-42022-7-62022-7-82022-7-102022-7-122022-7-142022-7-162022-7-182022-7-202022-7-222022-7-24a）多点位移轴力/kN4540353025201510502022-6-112022-6-132022-6-152022-6-17拱顶（点1）左侧拱肩（点2）右侧拱肩（点3）左侧拱腰（点4）右侧拱腰（点5）日期2022-6-192022-6-212022-6-232022-6-252022-6-272022-6-292022-7-12022-7-32022-7-52022-7-72022-7-92022-7-112022-7-132022-7-152022-7-172022-7-192022-7-212022-7-232022-7-252022-7-27b）锚杆轴力图9V级围岩断面监测结果罗袁羲，等：近水平岩层状围岩公路特长隧道支护参数优化研究第33卷 第5期市政工程Municipal Engineering35