草果山隧道支护措施优化

曲 宏 略， 吴 昆 铭， 张 勇， 李 学 华， 李 彪， 张 建 经

(1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2.天然气地质四川省重点实验室，四川 成都 610500；3.云南省建设投资控股集团有限公司市政总承包部，云南 昆明 650000；4.西南交通大学，四川 成都 610031)

1 概 述

随着我国基础设施建设的发展，公路、铁路工程在我国西南部呈网状铺开，隧道的数量不断增多，隧道埋深也越来越大，如二郎山隧道、秦岭终南山隧道等，高应力隧道的施工安全也得到越来越多的关注。因此，如何在确保施工安全条件下，合理优化支护措施，对于高应力隧道建设具有非常重要的意义。近年来，随着计算机技术的不断发展，数值计算方法被广泛应用到隧道监测验证和预测之中[1-6]。对于针对初期支护优化的研究，陶志刚[7]等通过数值模拟软件对NPR锚索间距进行优化，通过与现场试验结果的对比分析，提出了该方案的优化方向。何尉详等[8]为解决隧道仰拱初期支护钢拱架缺失，根据数值模拟计算结果，采用中空注浆锚杆对仰拱进行注浆补强，取得较好的整治效果。

申志军[9]等开展现场试验对初期支护不同组合形式进行研究，其结果表明在深埋岩质隧道初期支护中，采用“网喷+钢架”或“网喷+系统锚杆”即可。关宝树[10]指出初期支护的重要施工原则即必须使之与围岩成为一体才能发挥其功能，初步设计的支护方案应视施工中围岩的揭露情况灵活变动。

已有的研究在隧道支护过程围岩变形特征与安全评估方面取得了重要成果，拟采用数值模拟,对比草果山隧道轻微岩爆段在不同支护措施下隧道的变形规律，对隧道原支护方案进行优化，并在现场实际工程中验证了该优化方案的合理性与可行性，能够为类似工程提供参考。草果山隧道为蔓耗至金平高速公路的最长分离式隧道，属于控制性工程。草果山隧道起讫桩号：左线ZK33+947.04-ZK40+952，右线YK33+955-YK40+960。隧道全长7 005 m，为特长隧道，海拔高程介于1 125～2 126 m之间，相对高差1 001 m，最大埋深903.8 m，隧道围岩以二长岩与花岗岩为主。现场在K35+140处进行了地应力测试，根据测试结果并参照陶征宇判据，判断结果为轻微岩爆，并且在K35+480(埋深507 m)处曾出现轻微掉块和异常声响，属轻微岩爆现象。根据现场的施工情况以及考虑到轻微岩爆对隧道支护的安全性影响较小[11]，笔者选择草果山隧道K35+200—K35+600轻微岩爆段进行取消钢拱架的优化措施，通过研究该段围岩的变形情况来判断支护措施优化的效果。

2 数值模型的建立

2.1 数值模型

选取K35+200—K35+600段作为计算模型，该模型见图1，计算模型长400 m，宽570 m，顶面按照实际地形选取高程。利用Hypermesh软件进行网格划分，加密了隧道及附近网格，共划分90 288个单元，并导入Flac3D5.0软件进行计算。

图1 隧道计算模型图

2.2 边界条件及计算参数

隧道模型底面和四个侧面施加法向固定位移约束，上表面为自由边界。岩体应力应变关系计算采用适于岩土体力学行为的Mohr-Coulomb本构模型。根据室内三轴试验结果与草果山隧道地质资料，选取该模型的岩体物理力学性质参数见表1。根据现场资料，K35+200—K35+600区段围岩级别及设计支护参数见表2。

表1 岩体物理力学性质参数

表2 K35+200—K35+600区段围岩级别及设计支护参数表

初期支护考虑锚杆、钢拱架、钢筋网和喷射混凝土的共同作用，采用等效的方法考虑钢拱架及钢筋网，初期支护力学参数取值[12]见表3。

2.3 方案设计及计算结果

数值模拟的锚喷支护模型图见图2。该次研究共设计3种支护方案，具体方案见表4。隧道采用全断面分步开挖方式，5 m一次开挖，开挖完成后进行支护，再继续循环开挖。对隧道拱顶与两侧边墙位移变化进行监测，并根据位移变化分析隧道开挖与支护过程中的变形情况。

表3 初期支护力学参数

图2 锚喷支护模型

表4 方案设计

(1)方案一。锚杆间距为1.0 m×1.0 m，锚杆长度为2.5 m，混凝土选用C25，喷射混凝土厚度为0.22 m。钢拱架间距为1.2 m。K35+600处位移云图见图3。

(a) X向位移云图

(b)Z向位移云图图3 方案一位移云图(m)

(2)方案二。取消钢拱架，锚杆间距为1.0 m×1.0 m，锚杆长度为2.5 m，混凝土选用C25，喷射混凝土厚度为0.12 m。K35+600处位移云图见图4。

(a) X向位移云图

(b)Z向位移云图图4 方案二位移云图(m)

(3)方案三。取消钢拱架，锚杆间距为1.0 m×1.0 m，锚杆长度为3.5 m，混凝土选用C25，喷射混凝土厚度为0.12 m。K35+600处位移云图见图5。

(a) X向位移云图

(b)Z向位移云图图5 方案三位移云图(m)

选取K35+250、K35+350、K35+450、K35+550四个典型剖面进行分析，将三个支护方案位移计算结果整理后见表5。

表5 三个支护方案位移计算结果表

方案一拱顶最大沉降量为0.42 cm，总收敛值最大为2.1 cm。方案二是在方案一的基础上取消了钢拱架，拱顶最大沉降量达到0.9 cm，增大了114.3%，总收敛值最大为2.32 cm，增大了10.5%，说明钢拱架对隧道变形控制具有一定的作用，尤其是对拱顶的沉降控制效果较为明显。方案三是在方案二的基础上将锚杆加长了1 m，其拱顶沉降量和最大收敛值为0.86 cm和2.35 cm，相较于方案二，拱顶沉降量与洞周收敛值有4.4%与1.3%的变化，可以表明加长锚杆对支护作用效果有所提升，但提升效果不明显。

由于公路隧道监控量测没有全国统一的规范标准，且铁路隧道安全等级高于公路隧道，参考铁路规程[13]，方案二与方案三皆满足其初期支护极限位移30 mm的要求。但由于该段处于岩爆发生段，而岩爆的发生又具有突发性与不可预知性，为保证施工人员的作业安全，选择方案三作为试验段的支护措施。

3 试验段监测结果分析

草果山隧道在K35+564-K35+600段进行了试验段，在原设计支护类型上取消了钢拱架支护措施，采用方案三支护措施进行支护。通过对现场的监控量测，得到试验段的变形情况。隧道周边位移与拱顶沉降测点布置示意图见图6，分别在试验段三处位置对洞内变形的情况进行监控测量，其结果见表6。

图6 隧道周边位移与拱顶沉降测点布置示意图

表6 试验段监控量测洞内变形数据汇总及结果一览表

根据草果山隧道后期现场试验段结果及现场半个月的监控量测报告，未观察到岩爆现象，监测断面拱顶最大下沉量为1.05 cm，而数值模拟结果拱顶最大下沉量为0.93 cm，数值模拟与现场试验段实际情况较吻合。草果山试验段监测结果满足规范要求，因此，在草果山隧道岩爆预测结果为轻微岩爆段采取取消钢拱架的措施是可行的。

4 结 语

笔者通过数值模拟手段及现场试验段监测验证，针对草果山隧道预测结果为轻微岩爆段区域进行了岩爆防治的支护措施设计优化研究。

(1)采用数值模拟，对比分析了三种不同的支护方式下围岩变形特征，表明在取消了钢拱架后，隧道的变形虽然有了一定的增长，但仍然满足隧道围岩变形安全规范要求，草果山隧道轻微岩爆段具备取消钢拱架支护的可行性。

(2)对草果山隧道K35+564-K35+600段进行取消钢拱架的现场试验，根据现场试验段变形监测结果表明在取消了钢拱架后，隧道的拱顶下沉量最大为0.74 cm，洞周收敛值最大为1.05 cm，收敛值满足安全规范要求。实际监测数据与模拟结果有较好的一致性，验证了数值模拟计算结果的合理性。

(3)通过对草果山隧道的支护措施优化，取消了钢拱架的架设，降低了支护成本，加快了施工进度，为类似工程提供了参考。