1、第 42 卷第 3 期重 庆 交 通 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Vol 42No32023 年 3 月JOUNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVESITY(NATUAL SCIENCE)Mar 2023DOI:103969/jissn1674-069620230306花椒箐软岩隧道变形规律与支护对策研究鲍先凯1，时睦涵1，雷彦宏2，张武1，王舒锐1(1 内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010;2 中铁二十局集团第五工程有限公司，云南 昆明 650200)摘要:软岩隧道施工过程中经常出现围岩挤出变形、衬砌变形侵限、支护结构断裂失稳等情况。以花椒
2、箐软岩隧道为背景，运用数值分析软件模拟隧道环状开挖双台阶预留核心土法施工过程，分析变形机理并改进支护措施，采用“关键部位强化支护+高强锁脚锚杆支护+断面锚杆整体强化”新支护对策;模拟分析改进后支护效果，达到要求后予以采用，并进行现场变形监测。研究结果表明:花椒箐隧道变形是由两帮和拱脚的围岩在高应力影响下发生剪切破坏，导致了拱部整体下沉变形;模拟变形结果超出预警值，支护效果不佳;通过增加锚杆长度，增设锁脚锚杆等措施进行针对性优化;改进后模拟的拱顶、拱底、水平方向变形量较优化前分别减少了 203%、152%、20%，均未超出预警值，优化效果显著;经现场监控量测验证表明，改进支护措施后，拱顶、拱肩和
3、拱腰最大变形量分别为 17、367、302 cm，优化效果符合预期。关键词:隧道工程;支护优化;有限元分析;软岩隧道;变形监测中图分类号:U4563+1文献标志码:A文章编号:1674-0696(2023)03-044-08Deformation Law and Supporting Countermeasures ofHuajiaoqing Soft ock TunnelBAO Xiankai1，SHI Muhan1，LEI Yanhong2，ZHANG Wu1，WANG Shurui1(1 School of Civil Engineering，Inner Mongolia Univers
4、ity of Science and Technology，Baotou 014010，Inner Mongolia，China;2 China ailway 20th Bureau Group No5 Engineering Co，Ltd，Kunming 650200，Yunnan，China)Abstract:During the construction of soft rock tunnel，there are often extrusion deformation of surrounding rock，deformationlimit of lining，fracture and
5、instability of support structure and so on Taking Huajiaoqing soft rock tunnel as thebackground，the numerical analysis software was used to simulate the construction process of double step reserved core soilmethod for circular excavation of tunnel，analyze the deformation mechanism and improve the su
6、pport measures Moreover，the new support countermeasures of“strengthened support at key parts+high-strength locking anchor bolt support+overallreinforcement of section anchor bolt”was adopted The support effect after improvement was simulated and analyzed，whichwould be adopted after meeting the requi
7、rements，and the on-site deformation monitoring was also carried out The researchresults show that the deformation of Huajiaoqing tunnel is the overall subsidence deformation of the arch caused by the shearfailure of the surrounding rock of two sides and arch foot under the influence of high stress T
8、he simulated deformation resultsexceed the early warning value and the support effect is poor Targeted optimization was carried out by increasing the lengthof anchor rods and adding foot locking anchor rods The deformation of arch crown，arch bottom and horizontal direction afterimprovement is reduce
9、d by 203%，152%and 20%respectively compared with that before optimization，which all doesnt exceed the early warning value，and the optimization effect is remarkable The field monitoring measurement shows thatafter improving the support measures，the maximum deformation of the arch crown，arch shoulder，a
10、nd arch waist is 17 cm，367 cm and 302 cm respectively，and the optimization effect meets expectationsKey words:tunnel engineering;supporting optimization;finite element analysis;soft rock tunnel;deformation monitoring收稿日期:2021-12-06;修订日期:2022-01-26基金项目:内蒙古自然科学基金项目(2020LH05018);内蒙古科技大学建筑科学研究所开放基金项目(JY
11、SJJ-2021M19)第一作者:鲍先凯(1974)，男，内蒙古赤峰人，副教授，博士，主要从事岩土与地下工程方面的研究。E-mail:bxkzlm 163com通信作者:时睦涵(1995)，男，江苏连云港人，硕士研究生，主要从事岩土力学与地下工程方面的研究。E-mail:670544755 qqcom0引言软岩隧道存在着大量强度低、风化程度高、结理破碎的膨胀性围岩，当遇到较大地下水时，容易发生膨胀变形。在高地应力工况中，常表现出大位移变形、强流变性、高构造应力等特点，若支护不佳，则容易丧失自稳能力和承载力，严重影响到隧道安全、施工进度及施工人员的生命。关于软岩隧道围岩变形的发生机制，普遍认为应
12、从力学因素和岩性因素两方面进行分析。力学因素方面，罗宁1 认为:隧道因开挖卸载和施工荷载，使得隧道围岩力学条件骤变，引起应力重新分布，当超出围岩强度时则会引发围岩塑性形变;王成虎等2 和李天斌等3 均认为:软岩隧道围岩发生变形是在围岩初稳后由剪应力超限所产生的流变行为;邹洋等4 的研究发现:剪应力超限往往在短时间内完成，流变行为则表现为累进性和时效性。岩性因素方面，OAYDAN 等5 和 KTEZAGHI6 分别认为:软岩隧道围岩中含有大量稳定性较低的特殊矿物，易受水文环境影响，吸水膨胀使得岩体物理构造发生改变，同时还会发生水化反应，从而引起岩体本身的力学性质发生改变，最终造成围岩较大变形。综
13、合大量实际工程案例发现，高地应力、岩性软弱、地质结构恶劣的软岩隧道常会因为支护措施不当引起围岩大变形。LI Guang 等7 考察了甘肃金川煤矿软岩巷道 4 000 m 范围发生的偏压、冒顶、顶板开裂、底部隆起、侧壁开裂、两帮剥落(最严重)等 6 种病害类型数量，并重点分析了其中 4 种主要变形类型的力学机理;ZHENG Lujing 等8 通过 ocsciencePhase 20 软件对贵州深部破碎软岩巷道主进路进行了数值分析，认为其变形破坏机理主要是由于围岩中泥岩强度弱、地应力高和支护强度低的共同作用所致;SUN Xiaoming 等9 利用人工泥岩和砂岩材料复刻了甘肃省新安煤矿的地层构造
14、模型，并进行了相似性试验，分析了深埋软岩隧道在开挖过程中的变形机理和力学行为演化过程，认为应力传递路径首先从巷道右侧向左侧传递，再向巷道顶部移动，最后应力向巷道远场岩体传递。以上深埋软岩隧道变形研究积累了大量的软岩大变形理论和工程经验。在工程实践中，不同软岩隧道存在着不同的工程地质特性和力学环境，使其变形机制和变形规律各有特点，相关研究往往需要具体化，而设计阶段采取的施工方法和控制技术有时缺乏工程针对性，使得施工过程中出现大变形，增加了施工的难度。笔者以花椒箐软岩隧道为工程背景，通过数值模拟了软岩隧道施工过程，分析了围岩在施工过程中的力学特征，并重点研究预留核心土施工工法下软岩隧道的变形规律和
15、发生机制，提出的新支护对策，模拟验证符合设计要求后，运用至实际工程，并进行现场变形监测。1工程概况花椒箐隧道位于新建的大丽高速公路土建第 7合同段，是一座分离式隧道。该隧道右幅出口分界段里程为 K40+802K39+000，全长 4 385 m;左幅隧道起止点桩号为 K36+490K40+880，全长 4 390m，左、右幅隧道间净距约为 32 m，最大埋深约为 417m，属于深埋隧道，是大理地区仅次于中梁子隧道的第二长隧道。该隧道穿越洱海断陷盆地外围的中山区，该地区地形切割较深、地势较陡峻、地形复杂、沟谷纵横，受红河-洱海区域性大断裂及次生小断层影响，岩体相互穿插、构成复杂、风化强烈、自稳能
16、力差，加之隧道区段内有多处玄武岩侵入灰岩内，破碎带及岩性接触带很发育，围岩岩性十分复杂。隧道所处围岩地层岩性主要包括:第四系粉质黏土、碎石土、角砾土、块石土及粉质黏土夹粉土粉砂，奥陶系下统向阳组页岩、砂质页岩夹泥质砂岩泥岩，泥盆系下统青山组灰岩，喜山期煌斑岩，华力西期辉长岩，喜山期碱性玄武岩等 11 种。隧道围岩级别主要为级和级，是软岩隧道。室内土工试验测得的围岩物理力学参数见表 1。隧道断面形式为曲墙拱式，采用复合衬砌结构形式，环形开挖双台阶预留核心土法施工。施工过程中发现原有的支护方案无法满足设计要求，需要进一步改进。表 1隧道围岩类型及物理力学参数Table 1Tunnel surrounding rock types and physical andmechanical parameters材料类型力学参数容重/(kNm3)弹性模量E/GPa泊松比 黏聚力c/kPa内摩擦角/()粉质黏土190050432035强风化页岩220200416033全风化页岩2103503810032弱风化页岩21060035200322软弱围岩变形数值模拟21模型建立为了能直观反映隧道变形过程和力