基于新奥法施工在围岩变形及支护数值模拟应用研究

于士程，刘洪铖，卢长伟

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130021）

1 研究背景

现代地下工程支护设计的基本指导思想是按照“新奥法”原理，充分发挥围岩自身承载能力，采用喷混凝土、锚杆、锚索等柔性结构作为主要支护方式，通过适时加固围岩，控制围岩变形来充分发挥围岩的自承能力[1]。其关键在于确定围岩最佳支护时机，即围岩发生一定的变形，应力自动调整和重新分布，围岩自承能力最大限度发挥的阶段。

为此，国内外学者采用现场监测、理论推导等多种手段对“最佳支护时机”进行了研究，并取得了一定的进展。例如刘志春等[2]以乌鞘岭隧道为工程背景，通过对现场测量数据相互关系综合分析，提出以隧道极限位移为基础、现场量测日变形量和总位移为依托的工程可操性判别指标，对软岩大变形隧道二次衬砌施作时机进行探讨。张建海[3]等以锦屏电站地下厂房工程为依托，提出最佳支护时机与围岩收敛时间、围岩强度应力比、开挖后应力及支护围压相关性，提出最佳支护时机的理论公式。

尽管对于“最佳支护时机”的确定，已有较多文献研究，但是仍然处在理论研究上，无法真正指导设计和施工，而利用数值计算技术，通过多种方案的对比分析，找到接近于理论上最小支护力的支护时机是一个较为适用的途径。

2 最佳支护时机确定的实现过程

2.1 掌子面距离的确定

隧洞开挖后，围岩的变形是一个过程，以围岩变形指标作为最佳支护时机是数值模拟中较好把握的一个指标，也就是确定围岩变形多大时进行支护最为合适。然而在实际操作上有一定的难度，比较难以实施，主要原因是必须对围岩变形进行连续监测，但刚爆破后，围岩变形又经常监测不到。相对于此，用掌子面距离指标作为支护时机的判断，在实际工程中更具有操作性[4]。

隧洞开挖过程中，围岩的变形与掌子面向前推进距离成一定的关系规律，当掌子面较近时，围岩变形相对较小，随掌子面推进，围岩变形逐渐增大，当掌子面大于一定距离时，围岩所在断面不再受掌子面三维效应影响，围岩变形逐渐趋于稳定值[5-8]。

2.2 预变形量的确定

以掌子面距离作为最佳支护时机的指标，来模拟分析隧洞开挖及支护结构变形情况，需要通过庞大的真三维数值模型，并进行多方案对比分析研究支护时机问题，工作量巨大，计算时间上也是不现实的。因此，提出预变形量指标，利用准三维数值模型对其进行模拟分析更加现实。

在准三维模型中，通过开挖岩体逐步能量释放过程的等效方法，模拟掌子面开挖距离对围岩的变形影响。开挖岩体的逐步能量释放过程有多种控制方法，通过降弹模法逐渐按比例降低开挖岩体的弹模，使岩体能量逐步释放，以此模拟围岩自承能力。在该项目中，是通过降低弹模方法控制能量的逐步释放过程。同时，模拟围岩在弹模降低不同比例情况下，对围岩塑性区分布及支护结构受力进行分析，以此确定围岩最优预变形量。

2.3 最佳支护时机的确定

施工开挖数值模拟时，分别建立真三维模型和准三维模型。准三维模型计算中，通过逐步降低岩体弹性模量，可以得到弹模逐步降低过程中围岩预变形量的变化曲线。与真三维地质模型中随着围岩与掌子面开挖距离变化，围岩预变形量的变化曲线进行对照，以围岩预变形量作为桥梁，可以近似得到围岩变形过程中弹模降低比例与掌子面进尺距离的等效关系，从而利于准三维模型分析计算隧洞开挖后围岩及支护结构变形情况。

3 工程实例分析

以ABH引水隧洞出口段为实例来说明确定最佳支护时机过程。该段洞室埋深300m，岩性为泥盆系中统汗吉尕组（D2h）砂岩，围岩类别为IV类，洞室为圆型，开挖半径3.50m。围岩计算参数见表1。

表1 围岩计算参数表

3.1 降弹模法围岩变形规律

通过准三维模型降弹模法得到的隧道围岩变形量与弹模降低比例关系曲线见图1。图1中，横坐标表示开挖岩体弹模与原始弹模的比例系数，纵坐标表示对应的围岩预变形量。从图1中看出，随着比例系数的降低，围岩变形逐渐增大，由该曲线可得到与弹模的降低比例对应的围岩预变形量。

图1 隧洞开挖围岩预变形量与降弹模比例管线曲线图

3.2 围岩预变形量与支护结构受力关系

通过对开挖岩体的弹模降低一定比例，让围岩先产生一定的变形，释放一部分应力能量，然后再进行支护，这部分变形称为预变形量。一般的规律是：预变形量为零时，支护荷载就是原始地应力，要求支护强度也最高；当预变形量逐渐增大，所需要支护荷载就逐渐减小，但围岩最终变形和塑性区也会变大；当预变形量过大时，由于塑性区变大，支护过晚，围岩可能出现破坏（如塌落等），同时支护荷载也变大。通过准三维模型的计算分析，得到的最终支护结构上荷载与预变形量关系曲线如图2所示。通过比较分析，既不能使围岩出现过大的屈服区（要求锚杆长度要深入屈服范围外1.0m左右），又要使支护结构上的应力在屈服极限范围内，因此，判断围岩预变形量取8.93cm较为合适，即此时进行支护是合理的。

图2 初期支护最大压应力最大值与弹模折减值关系曲线图

3.3 最佳支护时机确定

由真三维模型计算得到的围岩变形与掌子面距离关系曲线如图3所示，从中看出，在准三维分析中围岩预变形量取8.93cm，也就相当于真三维模型中掌子面前进5.5m时的围岩变形。因此，当掌子面前进5.5m时，对围岩进行支护较为合理。

4 结语

综上所述，基于新奥法充分发挥围岩自稳能力的思路，得出掌子面距离可作为最佳支护时机的确定指标。利用数值模拟方法将围岩预变形量作为真三维模型掌子面距离与准三维模型降弹模方法的桥梁。通过准三维模型分析围岩及支护结构变形情况，以此确定最佳支护时机。

图3 掌子面距离与围岩位移关系图

在实际工程中，由于存在地质构造复杂性、工程施工不可控性等因素，对于各种断面隧洞，还要继续研究完善。