隧道支护结构体系及其协同作用研究

　　摘 要：为了提高公路隧道建设水平，本文首先探讨了隧道失稳机理和常见支护形式，随后提出来隧道支护体系协同作用原理，并以某公路隧道为研究对象，以拱顶下沉和周边收敛评价指标来分析其支护效果，研究成果可为类似的隧道支护设计提供一定的理论指导。

　　关键词：公路隧道;支护体系;协同作用;加固效果

　　0 引言

　　随着我国基础交通设施建设的不断完善，公路工程的建设步伐也日益加快。在公路建设期间，为了提高公路指标、降低开挖工程量等，往往会采用隧道工程。但是，公路隧道地质条件及断面受力复杂，如果设计施工不当可能出现隧道塌方事故，轻则影响施工进度，重则造成人员伤亡和经济损失。选择经济合理的隧道支护方案已经成为工程技术人员需要解决的重要问题[1]。因此，研究隧道支护结构体系及其协同作用具有十分重要的工程意义。

　　1 公路隧道失稳机理分析

　　理解公路隧道的破坏形式和破坏机理对于支护结构形式设计至关重要。隧道破坏主要有两种形式：一种是隧道开挖出现临空面，岩体自重荷载下产生掉块现象;另一种是围岩强度不足或支护结构设计不合理，引起了隧道结构大面积坍塌。这是因为初始应力状态的岩体受到隧道开挖活动影响，会破坏岩体内部的应力平衡，引起围岩内部应力的重新分布，从而导致围岩变形或破坏。

　　1.1 软弱岩体破坏

　　软弱岩体的围岩级别低、强度小，且可能充填富水泥沙，常表现为塑性屈服或弹塑性屈服。如果围岩结构较均匀时，隧道坍塌以拱形冒落为主;如果围岩结构不均匀，可能发生局部塌方、侧鼓、底鼓等病害。

　　同时，隧道软弱围岩屈服变形基本是逐渐扩展的，如层状节理围岩隧道的塌方是先由拱顶沿层理面滑移下沉产生竖向裂隙，使得边墙应力释放，导致边墙岩体崩落。此时，围岩压力会慢慢传递到隧道顶板，顶板应力增加。当顶板应力值超过围岩强度，隧道结构发生破坏。

　　1.2 碎裂岩体破坏

　　碎裂岩体破坏形式以崩塌与滑动为主，其破坏规模受岩体碎裂程度、含泥量及岩块间的接触关系影响较大。如果碎裂围岩中的岩块间的接触是刚性接触，则岩体在变形期间岩块会相互挤压，产生较大阻力，隧道发生大规模塌方的可能性较小;反之，碎裂围岩含泥量较高，岩块间接触以柔性接触为主，支护参数设计不合理，容易导致隧道围岩大变形，直至坍塌。

　　2 公路隧道支护形式及协同作用系统

　　2.1 隧道常见支护形式

　　2.1.1 衬砌支护

　　衬砌是公路隧道应用最广泛的支护形式之一。衬砌结构的柔性和整体性较好，可视作一种环形或拱形结构体，其主要作用是防止关键块体掉落，改善隧道岩层的应力状态，并对围岩变形起着一定的约束作用，但并非依靠衬砌自身强度来承受围岩块体冲切压力。隧道围岩施加在衬砌的荷载包括偶然荷载、可变荷载和永久荷载三类，其中偶然荷载发生概率较小，有爆炸冲击、地震等灾害;可变荷载是随时间变化的荷载，如车辆荷载、施工荷载等;永久荷载一般数值恒定或变化幅度极小，主要有结构自重、土压力、围岩压力等。

　　2.1.2 锚杆支护

　　用于隧道围岩支护的常见锚杆形式有全长粘结型(水泥浆、树脂粘结等)、端头锚固型(机械式、粘结式等)、摩擦型(楔管式、缝管式等)和混合型。锚杆构造形式简单，由垫板、锚杆、锚固体等部件组成，其支护隧道的最大特点是从岩体内部来约束围岩变形，主要功能有：第一，提供支护阻力;第二，将预应力传递至隧道壁;第三，在锚固围岩范围内形成压应力区，改善围岩应力状分布;第四，提高围岩整体性，并增强围岩承受拉力、剪力的能力[2]。此外，隧道围岩特性不同，锚杆中的力学传递计算有很大差别，对力学传递影响较明显的参数有围岩粘聚力、内摩擦角、抗压强度。

　　2.1.3 钢架支护

　　钢架为刚性结构，主要用于隧道开挖的初期支护，并配合初期支护来提高支护体系的承载范围。钢架支护设计的关键是减小钢架与围岩之间的缝隙，使钢架与围岩共同受力，填隙处理一般混凝土垫块。

　　根据使用材料不同，钢架可分为钢拱架和格栅钢架两类，前者刚度大，承载能力强;后者重量轻，受力均匀，且能与隧道围岩紧密贴合。

　　2.2 隧道支护协同作用系统

　　由协同理论可知，大量子系统的协同作用会使得整体系统从无序向有序过渡。就公路隧道围岩支护而言，协同作用就是各种支护形式根据一定的工作方式组合为一个整体，共同提高围岩承载能力和稳定性。为了实现隧道围岩的最佳支护效果，可将支护体系间的协同作用划分成体系协同、结构协同和要素协同等。

　　3 公路隧道支护协同作用效果评价

　　以某公路隧道为研究对象，通过软件FLAC3D建立模型进行数值模拟，并分析隧道支护体系的协同作用效果，评价指标采用拱顶下沉和周边收敛。

　　3.1 工程概况

　　该隧道全长1 275 m，起讫桩号左线ZK24+740～ZK26+015，最大埋深约58.62 m，设计围岩为强风化花岗岩(Ⅴ级)，局部夹中风化，岩层软硬不均，裂隙发育，岩体极破碎，自稳能力差，无支护时拱部易坍塌，侧壁易失稳，开挖工法为上下台阶预留核心土，围岩开挖后采用XS-Ⅳc衬砌+钢架+锚杆进行联合支护。

　　3.2 隧道有限元模型建立

　　3.2.1 模型几何边界及参数

　　由相关研究结果可知，隧道塌方发生时掌子面的空间效应影响范围约为2倍开挖洞径。为了减小空间效應的影响，计算断面选择距开挖面30 m的断面。利用FLAC3D建立隧道模型时，将其视为平面应变问题来分析，Y方向长度取1，隧道围岩范围4倍开挖洞径。模型初始应力场设为重力应力场，其左边界、右边界、下边界进行X方向、Y方向、Z方向完全约束;上边界为自由边界，可发生竖向压缩变形和水平位移。隧道围岩及衬砌参数按照相关设计资料、岩土勘察报告、现场施工参数等确定。

　　3.2.2 网格划分

　　网格尺寸、网格数量对数值模拟结果和计算效率影响较大。在综合考虑围岩应力变形精确度和计算机运行速度前提下，将隧道断面区域的网格划分，向外逐渐变稀。其中隧道开挖采用空模型，隧道的衬砌和仰拱采用shell单元，共划分出2 865单元，3 428个节点。

　　3.3 计算结果分析

　　开挖后隧道在进行联合支护后，拱顶变形和周边收敛有了明显的降低，此时拱顶累计位移为26.2 mm，周边收敛累计值为40.5 mm。随着监测时间的增加，拱顶沉降和周边收敛是持续增加，但增加速率逐渐变缓。即当监测时间小于40 d，拱顶沉降和周边收敛的变化速率较快(近似线形);当监测时间超过40 d，拱顶沉降和周边收敛变化幅度较小，此时隧道的拱顶下沉速率<0.5 mm/d，周边收敛速率<1.0 mm/d，满足《公路隧道施工技术规范》(JTG/T 3660-2020)中关于允许变形速率的规定。

　　4 结语

　　本文深入分析了公路隧道支护类型、支护体系间的协同作用系统及效果，主要得到以下几个方面的结论：(1)隧道常见支护形式有衬砌支护、锚杆支护、钢架支护等。(2)隧道围岩的各种支护形式能协同作用，共同提高围岩承载能力和稳定性。(3)隧道支护体系间的协同包括体系协同、结构协同和要素协同等。(4)隧道支护体系间的协同作用能提高围岩强度和稳定性，建议推广应用。

　　参考文献：

　　[1]孙振宇，张顶立，房倩，等.隧道支护结构体系协同优化设计方法及其应用[J].岩土工程学报，2021，43(3)：530-539.

　　[2]孙毅，张顶立.隧道复杂支护结构体系的协同作用原理[J].工程力学，2016，33(12)：52-62.

　　[3]张顶立，孙振宇，侯艳娟.隧道支护结构体系及其协同作用[J].力学学报，2019，51(2)：577-593.

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文章名称： 隧道支护结构体系及其协同作用研究

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