深部隧道支护系统稳定性数值分析

高小社

(中铁二十局集团路桥工程公司，陕西 西安 710016)

0 引言

近几十年来，随着世界经济和社会快速发展，世界上各种用途的隧道工程建设开始向深部发展[1]。随着深度的增加，围岩存在高地应力、高水压、高温度的特点，深部岩体应力分布更加复杂，致使其支护也更加困难，从而造成工程造价大大提高，工期延长，以致发生塌顶塌方坍方事故，给工程的建设及正常使用带来了很大的影响[2-6]。

为了使深部隧道围岩稳定，本文主要是通过数值模拟的手段，开展了深部隧道支护系统稳定性研究。

1 数值模型的建立

1.1 标准模型参数选择

参考工程地质勘测报告，本次数值分析主要是分析Ⅳ类岩石，其物理力学指标如表1所示。

在本次数值模拟中锚杆型号为φ20×2 000 mm，间排距为700 mm×700 mm，锚固力200 kN。锚杆采用高强树脂锚杆，Z2335树脂药卷，每孔3卷树脂药;金属网为:φ6 mm，网格80 mm×80 mm钢笆焊接网，网搭接100 mm;喷射混凝土强度为C20，喷浆厚度为150 mm。锚索长度取12 m。混凝土料配合比为水泥∶砂∶石子=1∶2∶2(体积比)，喷混凝土时速凝剂掺量为水泥重量的2.5%～4%。图1是位移测点分布图，共监测4个有代表性的隧道位置，它们分别是顶底板和两帮。

表1 岩石物理力学指标

1.2 标准模型的网格划分

从理论分析可知，隧道对围岩中应力分布影响范围一般是隧道半径的3倍～5倍，宽度取一个循环进尺，故取计算模型尺寸为长×宽×高=40 m×2 m×30 m。网格划分时，为了提高程序运行的有效性和节约运行时间，在隧道周围划分比较密，单元总数9 300。模型上边界施加边界荷载p=25 MPa来模拟垂直方向应力，模型其他三个边界为位移约束，见图2。

图1 位移测点分布图

图2 计算模型边界条件图（单位：m）

2 数值结果分析

2.1 无支护隧道稳定性分析

从图3，图4可知:位移总体上是向隧道中心偏移，并且隧道的底板出现底鼓现象;深部隧道在高应力作用下顶底板及两帮位移分别是284 mm，139 mm，204 mm和193 mm，隧道产生的变形整体比较大。

由图5，图6可以看出，隧道开挖以后围岩表面没有法向的力，并且随着离隧道距离越远，法向应力越大，影响越来越小;深部隧道在没有采取任何加固措施的作用下塑性破坏非常严重，尤其是拱脚和底角部分。因此，深部隧道开挖后要及时采取有效加固措施，确保隧道安全、快速掘进。

2.2 有支护隧道稳定性分析

深部围岩由于受到“三高”影响，变形量非常大，如不及时采取有效的加固方式，隧道不可能稳定，但深部隧道的加固与浅部隧道加固有明显不同，现通过对几种支护方式进行数值分析，其结果可以为深部隧道支护提供参考。

本次数值模拟方案有以下几种:

1)锚杆支护;

2)锚杆、锚索组合支护;

3)锚杆、锚索、衬砌组合支护。

图3 无支护位移失量图

图4 无支护顶底板两帮位移曲线

图5 无支护最大主应力等高线图

图6 无支护最小主应力等高线图

表2是不同支护形式的顶底板及两帮位移情况，从表2中分析可以知道:无支护时变形量比较大，最大是拱顶位移，达到284 mm，通过支护的隧道4个测点位移都有不同程度的减小，能起到加固围岩的作用，加固效果最好的是锚杆、锚索、衬砌组合支护，它的4个测点的位移量分别比无支护的位移量减少36%，52%，53%，25%，但底板的变形量还是比较大。由于在底板没有采用相应的支护措施，所以底板的变形量减少不大，因此，为了治理好底鼓，还要进一步对底板采取加固措施。

表2 不同支护形式4个测点位移量 mm

图7是不同支护形式最大主应力云图。

从图7可以看出:没有支护的隧道在隧道表面周围的一定范围内几乎没有垂直应力，采用支护的隧道，除了在底板有很少部分出现很小的垂直应力外，支护形式从锚杆支护到锚杆、锚索、衬砌组合支护，隧道表面围岩的垂直应力越来越大，这说明锚杆、锚索、衬砌组合支护支护效果最好。

图7 不同支护形式的最大主应力等高线图

3 结语

利用数值模拟软件FLAC3D模拟了无支护，锚杆支护，锚杆、锚索组合支护，锚杆、锚索、衬砌组合支护加固隧道的效果，得到如下结果:

1)无支护时位移总体上是向隧道中心偏移，变形量比较大，并且隧道的拱底出现底鼓现象，位移最大是顶板。

2)经过支护的隧道，顶底板及两帮位移都有不同程度的减小，能起到加固围岩的作用，加固效果最好的是锚杆、锚索、衬砌组合支护，但拱顶、底板的变形量还是比较大。

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