硬岩条件下半喷混凝土快速支护施工的三维仿真分析

郑 欣

（重庆交通大学，重庆 400074）

摘 要：本文依托粤湘高速公路博罗至深圳段水涧山隧道，全过程力学仿真模拟研究了半喷混凝土快速施工技术，通过对围岩变形过程及大小、围岩应力与塑形区、两次半喷混凝土的应力分布与量值、系统锚杆的受力等力学指标值的变化规律，分析隧道围岩自稳与自承性能、支护结构的安全度。为今后同类的工程提供了宝贵经验。

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关键词 ：半喷混凝土；快速施工；围岩；力学指标；安全度

中图分类号：TU755.6文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）03-0124-04

1 依托工程

粤湘高速公路博罗至深圳段水涧山隧道是博深高速的控制性工程，隧道左线全长2929m，右线全长2906m，整个隧道穿越具有“小九寨”之称的东莞市银屏山自然风景保护区。水涧山隧道属长三车道大断面公路隧道，由于银瓶山自然保护区对环境保护严格要求，洞身段禁止开设斜井与横向通道，只能从另一端洞口长距离独头掘进，头掘进距离高达2929m。隧址区地表岩性主要为破残积土层及风化层组成，洞身围岩为白垩系下统白云嶂组熔结凝灰岩，岩性单一，未发现不良地质存在，隧道场地属较稳定地块，工程地质条件较简单，设计洞身围岩级别主要为III级。

2 计算方案

III级围岩按上下台阶法开挖，不设仰拱，开挖步序如图1所示，台阶长度与平面推进图如图2所示，其开挖与支护顺序为：

（1）上台阶①开挖一个循环，长度3.6m（相当于3榀钢架距离），初喷、挂钢筋网、立格栅钢架并半喷混凝土至10cm；

（2）待上台阶掌子面进至25m后，开挖下台阶，初喷、挂钢筋网、立格栅钢架，敷设拱墙系统锚杆，并补喷10cm至设计厚度。

（3）待施工监测稳定后施做二次衬砌混凝土。

3 计算理论

采用国际先进岩土工程软件FLAC3D对半喷施工工艺过程进行全过程仿真分析。该软件是由美国明尼苏达ITASCA软件公司开发的显式有限差分程序。目前该软件已从二维平面分析拓展到三维空间分析，成为处理功能强大的新一代软件—FLAC3D。

3.1 FLAC程序中的弹塑性本构模型

FLAC程序可以模拟弹性模型、Mohr－Coulomb准则[1]、应变强化和应变软化模型等6种材料，并且各种模式之间可以相互耦合，以用来模拟各种复杂的岩土工程问题，能更真实地模拟实际材料的力学行为。

Mohr－Coulomb的破坏准则是张拉剪切的综合组合。假设给三个主应力编号，定义如下：

这个准则可以用下图3来解释，用Mohr- coulomb破坏准则描绘从点A到点B破坏包络线。fs=0，即

3.2 计算模型及边界条件

模型网格如图4～6所示。仿真分析中，为实现两次初期支护混凝土喷射，每层混凝土均采用实体单元模拟，其好处是可以直接获得每层喷射混凝土单元的应力值。

两层喷射混凝土差分物理网格图如图6所示。为方便建模与程序计算，本次计算将格栅处喷混凝土仍按半喷处理。

锚杆采用FLAC中专用的锚杆单元cable进行模拟计算，间距按照设计间距1.2m×1.2m，梅花形布置。偏于保守估计，岩体力学参数按照公路隧道设计规范（JTG D70-2004）给出的III级围岩各指标值下限选取[2]，如表1所示。

边界的处理为：顶部距离拱顶埋深60m，自由表面；左右边界距离隧道中心距离为3.5D，水平位移约束；底部边界距离隧道底部3D，竖向位移约束；隧道纵向长度取40m，纵向边界面采用水平位移约束。（注：D为隧道开挖跨度，等于16.8m）

4 快速施工力学过程分析

4.1 围岩变形

为避免边界效应，取纵向Z=10.8m处为研究断面，观察该断面的沉降与水平位移。最终竖向位移云图如图7所示，水平位移云图如图8所示。

为观察施工过程中围岩的变形动态，布置监测点位如图9所示，其中A为拱顶沉降，B为水平收敛。计算结果如图10～12所示。

从图10可以看出，拱顶沉降最终值为5.1mm，小于隧道设计规范要求的最小值7.3mm，表明采用半喷混凝土快速施工时，围岩稳定。此外，掌子面开挖至研究断面（z=10.8m）时，拱顶沉降为2.1mm，位移释放率为0.40；复喷第二次半喷混凝土时，围岩位移释放率为0.87.这表明初次半喷混凝土所承担的位移释放率为0.47，即2.4mm。由于半喷混凝土的柔性，完全能够承载这一部分位移，并允许围岩应力作相应的调整与释放，以便充分发挥其自承能力。

图11表明水平位移很小，这与III级围岩岩体强度较高、侧压力不大有显著关系。因其量值太小，最大值0.8mm，不至引起围岩不稳定松弛，此处不作深入分析。

4.2 围岩应力

以拉应力为正，则最小主应力代表了最大压应力。研究断面围岩的最大压应力云图如图12所示，最大拉应力云图如图13所示。

据图12分析，围岩最大压应力在墙脚处产生应力集中，但量值不大，仅为4.45MPa。III级围岩多为坚硬岩或较坚硬岩，其单轴饱和抗压强度>30MPa，因此，围岩强度远远大于岩体中应力，围岩不会发生压溃失稳。

据图13分析，围岩最大拉应力仅出现在仰拱位置，但量值不大，为500kPa。拱顶仍然为压应力，不会发生抗拉失效破坏。

4.3 围岩塑形区

如图14所示，III级围岩局部存在塑性区[3]，出现部位为仰拱接近墙脚处以及边墙局部。由于塑形区分散于局部，未构成连通面，对隧道整体稳定性不构成影响。

4.4 喷射混凝土应力

研究断面第一次半喷混凝土应力分布如图15～16所示，第二次半喷混凝土应力分布如图17～18所示。

由图15、图16分析可知，内外两次半喷混凝土受到一定大小的拉应力，一般发生在拱顶，局部发生在边墙拱墙想接部位，但量值不大，最大为0.6MPa，小于C20喷射混凝土的抗拉强度设计值1.13MPa，受拉安全系数1.88，处于安全范围。

由图17、图18分析可知，内外两次半喷混凝土最大压应力为3.59MPa，远小于C20喷射混凝土抗压强度设计值11MPa，处于安全范围。

4.5 系统锚杆受力

系统锚杆采用cable单元模拟[4-5]，如图19所示。

系统锚杆在上台阶推进25m后与下台阶喷射混凝土一起施做，其计算结果如图20所示。计算表明，锚杆主要承受拉力，拱部锚杆受拉很小，边墙锚杆受拉力较大，最大拉力为11.3kN。墙脚部位锚杆局部受压，作用不大。

通过锚杆的受力分析，建议在实际施工过程中，在第二次半喷混凝土时，通过观察拱部围岩裂隙情况以及监控量测稳定状况，酌情减去拱部锚杆，只在边墙敷设系统锚杆。这样做可以获得四大好处：（1）减少拱部锚杆作业的难度；（2）减少作业量；（3）节省材料与人工费用；（4）加快施工进度。

5 结论

结果表明，半喷混凝土快速施工方案切实可行，而且预设计中系统锚杆支护参数也存在进一步优化的余地，建议实际施工时依据拱部围岩节理裂隙以及监控量测信息反馈，优化系统锚杆的施作与否、敷设部分，达到安全、经济与快速施工的和谐统一。

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参考文献：

（1）贾善坡，陈卫忠，杨建平，陈培帅。基于修正Mohr -Coulomb准则的弹塑性本构模型及其数值实施[J]。岩土力学，2010（07）：2051-2058.

（2）中华人民共和国交通部。JTG D70-2004公路隧道设计规范[S]。北京：人民交通出版社，2004.

（3）刘贵，韩邦华，邢峰，郭文印，杜克辉。条带开采煤柱塑性区宽度的数值模拟与计算[J]。煤炭科学技术，2009（03）：4-6+37.

（4）鲍生才。深基坑桩锚支护结构数值模拟研究[J]。地下空间与工程学报，2014（S2）：1941-1945.

（5）陈力华，林志，李星平。公路隧道中系统锚杆的功效研究[J]。岩土力学，2011（06）：1843-1848.