第３８卷，第５期 ２ ０ １ ３年１ ０月 公 路 工 程 Ｈｉｇｈｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．３８，Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．，２ ０ １ ３ 片理化非均质大跨径隧道围岩稳定性分析 与支护优化研究 李作恒 ，黄生文 ，张永杰 （１．河北高速公路邢汾筹建处，河北邢台０５４００１；２．长沙理工大学岩土工程研究所，湖南长沙４１０１１４） ［摘 要】以某高速公路大跨径隧道为例，应用有限元软件ＭＩＤＡＳ／Ｇｅｎ模拟两种围岩条件下采用台阶法施工 的隧道开挖支护情况。模拟结果表明对处于Ⅲ级与Ⅳ级之间的隧道围岩，当为片理化非均质岩体，且上台阶围岩 质量比下台阶好时，水平和竖向位移较大区域均集中于隧道底部，且变形超过了规范允许值，宜采用Ｉｖ（Ａ）级围岩 支护设计进行施工，但钢拱架间距可放稀至１００ ｃｍ；当非均质岩体上下台阶围岩质量均较好时，其最大水平位移较 小，竖向位移最大值发生在拱顶，且在相关规范允许范围内，可按ＩＶ（Ａ）级围岩进行支护，但可取消仰拱，实现对支 护设计的优化。 ［关键词】非均质围岩；稳定性；数值分析；支护优化 ［中图分类号］Ｕ ４５１ ．２ ［文献标识码】Ａ ［文章编号］１６７４—０６１０（２０１３）０５—００５７—０５ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｃｌｅａｖｅｄ ａｎｄ Ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ ＬＩ Ｚｕｏｈｅｎｇ ，ＨＵＡＮＧ Ｓｈｅｎｇｗｅｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇｊｉｅ （１．Ｈｅｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｘｉｎｇｆｅｎ Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ Ｐｒｅｐａｒｅ ｔｏ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｘｉｎｇｔａｉ，Ｈｅｂｅｉ ０５４００ １，Ｃｈｉ— ｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇ－ ｓｈａ，Ｈｕｎａｎ ４１０１ １４，Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｓｐａｎ ｔｕｎｎｅｌ ｏｆ ｆｒｅｅｗａｙ ｆｏｒ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｍａｋｅｓ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｂｅｎｃｈ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋｓ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｉｓ ｃｌｅａｖｅｄ ａｎｄ ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｂｅ・ ｔｗｅｅｎ ｌｅｖｅｌ ＩＩＩ ａｎｄ ＩＶ ａｎｄ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｏｆ ｕｐ ｂｅｎｃｈ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｄｏｗｎ．ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｍｕｃｈ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｔｕｎｎｅ１．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｉｔ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ ｗｉｔｈ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｒｆ ＩＶ（Ａ）ｃｌａｓｓ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｂｅｓｉｄｅ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ａｒｃｈ ｓｐａｃｉｎｇ ｃａｎ ｂｅ ｐｕｔ ｄｉｌｕｔｅｄ ｔｏ １ ００ ｃｍ．Ｏｎｅ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ ｗｈｅｎ ｅａｃｈ ｂｅｎｃｈ ｏｆ ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｂｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｌｅｓｓ ｍａｘｉｍｕｍ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｖａｕｌｔ．Ｈｏｗｅｖｅｒ ｗｅ ｃａｎ ｃａｎｃｅｌ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｅｄ ａｒｃｈ ｗｉｔｈ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ＩＶ（Ａ）ｃｌａｓｓ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ，ｔｈｕｓ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｍｏｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｕｐｐｏｒｔ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ 为研究的主要方法有经验类比法、数学解析法、数值 模拟法及物理试验法…。其中数值模拟相对于其 他研究方法具有适合各种复杂、非均质的实体工程 结构，能模拟各种材料的本构关系、荷载与边界条 件，研究结果更加直观，且更加经济快捷等优点 。 １ 概述 围岩稳定性评价及其支护措施的研究对于减少 隧道设计及施工中的盲目性，确保隧道施工和运营 安全，节约工程造价具有重要的理论和现实意义。 目前，对于隧道开挖和支护过程中隧道结构力学行 在数值模拟研究中，有限元法是最为常用的有 ［收稿日期】２０１３一Ｏｌ一２３ 【基金项目】河北省高速公路管理局２０１２年科技创新项目（５１２７９０１８） 【作者简介】李作恒（１９５９一），男，河北玉田人，教授级高级工程师，主要从事岩土与隧道方向的研究。 ５８ 公路工程 ３８卷 效方法，Ａｎｎａｍａｒｉａ Ｃｉｖｉｄｉｎｉ，ｅｔｃ（１９９１），Ｅ．Ｃ．ｋａｌ－ 浅相间的薄“层状”；部分隧道段上下台阶岩体质量 不一，上台阶岩体含暗色矿物片理相对较少，主要由 浅色矿物构成的，片理厚度可达中厚层，岩石颜色较 浅，岩石较坚硬，风化程度中等，强度较高；下台阶岩 体含暗色矿物组成的片理较多，暗色矿物层单层厚 度可达１０ ｅｍ左右，强风化，较破碎，成为岩体中的 软弱夹层，其强度和承载力较低，压缩性相对较大； 而有的隧道段上下台阶岩体质量差别相对较小。因 此该隧道无论是整体还是局部均表现出强片理化和 ｋａｎｉ，ｅｔｅ（１９９１），Ｓ．Ｋ．ｃｈｏｉ，ｅｔｅ（１９９１）等人的研 究，标志着９０年代国际上在这方面的研究水平。此 外Ｂｅｔｔｅｓｓ于１９７７年提出无限单元这一单元形 式 。同时Ｈ．Ｃ．Ｐｏｕｌｏｓ 等人对边界元法作了详 细研究。在离散元法的研究上，ＧｕｎｄａｌｌＰ．Ａ和 Ｈａｒｔ．Ｒ 是国际上较有影响的先驱者，并成功地开 发了二维和三维计算程序。近十年来，我国在隧道 稳定性数值计算中也取得了长足的进步。刘正 刚 结合岩土材料的非线性特性，对采用不同施工 明显的非均质各向异性。 方法的浅埋偏压小净距隧道施工过程进行了动态数 经现场地质测绘，隧道ＹＫ５９＋９７０～ＹＫ６０＋ 值模拟，所得的结论对以后浅埋偏压小净距隧道的 ０８０段走向ＳＷ２３５。，片麻岩的片麻理产状３５。一４５。 设计和施工有一定的指导意义。黄龙湘，杨元洪 ８。，其走向与隧道走向交角１１０。左右，倾角近于 等 采用数值模拟对比分析了双侧壁导坑法、三台 水平，对隧道开挖安全稳定较为不利。岩体中测得 阶法施工隧道围岩和支护系统变形及受力特点，从 两组构造节理，其中Ｊ。产状为１０５。～１ １２。／＿＿７０。一 而在设计施工过程中对两种工法的选择更加明确。 ８２。，与隧道走向交角３０。一４０。，节理密度达９条／ 黄生文、司铁汉 还对该隧道断层影响地段施工的 ｍ；Ｊ 产状１０。 ８５。，与隧道走向交角达９０。左右，节 围岩应力状态进行了有限元数值模拟，结果认为断 理密度４条／ｍ。两组节理近于正交，节理面较平直 层的存在使得隧道原始应力分布不再对称，故设计 或稍粗糙、微闭合、节理中一般无填充物。但两组节 时应采取非对称的超前支护措施。郑颖人 应用 理陡倾交叉切割近水平状的片麻理，构成一系列大 模型试验与有限元极限分析方法，得出浅埋拱形隧 小不一的不稳定和亚稳定岩石块体，且围岩湿润，有 洞的破坏来自拱顶，深埋隧洞的破坏来自侧壁的破 少量地下水从节理中渗出，因此围岩存在坍塌、掉块 坏机理，并求出隧洞围岩破裂面位置与形态，提出将 的施工安全风险。 基于有限元强度折减法求出的安全系数作为稳定分 析的定量判据。张治国、黄茂松等¨ 提出的层状地 ３ 片理化非均质围岩稳定性分析 基中隧道开挖引起邻近管道纵向变形的ＤＣＢＥＭ— ３．１数值计算依据 ＦＥＭ耦合分析方法。任松、姜德义等¨ 针对开裂段 ＹＫ５９＋９７０～ＹＫ６０＋０８０隧道段原设计为Ⅲ级 围岩为砂质页岩的情况，对页岩进行蠕变试验，并应 围岩，施工中根据实际情况，拟变更为Ⅳ级，为准确 用离散元数值计算方法对隧道开裂段施工全过程进 把握围岩级别，本课题组对围岩进行了快速分级，结 行研究。赵东平¨ 采用有限元法模拟Ⅳ级围岩不 果表明本段隧道围岩质量处于Ⅲ级与Ⅳ级之间，但 同埋深条件下大跨径隧道的施工过程，比较了不同 部分隧道段上台阶围岩质量普遍比下台阶好，下台 施工工法的开挖效果。 阶围岩较破碎，岩层厚度较薄，软岩夹层较多；而部 ２隧道的工程与地质概况 分段下台阶围岩质量较好，岩层厚度大于１５ Ｃｒｆｌ，以 黑云母、绿泥石等暗色矿物为主的软岩夹层较薄、较 在建的河北省邢（台）汾（阳）高速公路隧道众 稀疏，节理组数不大于２组，岩体体积节理数不多于 多，其中大部分位于片理发育的强变质岩一黑云片 １３条／ｍ （不含变质结构面）。故按两种工况，采用 麻岩岩体中，地质条件颇为近似，且均为双线六车道 数值模拟开挖进行对比分析：工况１，台阶围岩质量 大跨度隧道。以吕家沟长隧道为例，该隧道最大埋 较好，介于Ⅲ级与Ⅳ级之间，下台阶围岩质量较差。 深１２３ ｎｌ。隧址区属构造剥蚀中低山地貌，海拔 工况２，上下台阶围岩质量均较好，介于Ⅲ级与Ⅳ级 ５０５．６０—６２７．５９ ｉｎ。上覆地层为第四系全新统残坡 之间。两种工况均采用Ⅳ级围岩支护方案开挖。 积层和崩坡积层，下伏全一中风化上太古界五台群 ３．２数值计算模型 红鹤组黑云片麻岩。岩性不均一，其中以黑云母、绿 采用ＭＩＤＡＳ／Ｇｅｎ通用有限元软件对两种工况 泥石、角闪石等为主的深色矿物和石英、长石等为主 下的隧道进行模拟开挖，该软件功能强大，建模方法 的浅色矿物分别相对集中，定向排列，致使岩体成深 多样，不仅设计计算效益高，而且可提供完全的三维 第５期 李作恒，等：片理化非均质大跨径隧道围岩稳定性分析与支护优化研究 ６ｌ 图ｌ３ 工况２隧道开挖塑性应变区分布图 Ｆｉｇｕｒｅ １ ３ Ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｒｅａ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｅｃｏｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ 台阶围岩较差时，应施做仰拱，减少锚杆分担的因围 岩收敛变形所产生的围岩压力，提高支护结构的整 体稳定性。 ４隧道支护设计优化 综合上述数值分析结果可知，当隧道围岩处于 Ⅲ级与Ⅳ级之间时，若上台阶围岩质量普遍比下台 阶好，下台阶围岩较破碎，片理化更为发育，岩层厚 度相对较薄，软岩夹层较多、较厚时，采用Ⅳ（Ａ）级 围岩支护设计进行施工，应设置仰拱，但钢拱架间距 可放稀至１００ ｃｍ；若上下台阶围岩质量均较好，采 用Ⅳ（Ａ）级围岩支护设计进行施工，但可以考虑取 消仰拱。这样对介于Ⅲ级（差）和Ⅳ级（优）之间的 围岩段，根据上下台阶岩体的片理化和软弱夹层分 布的差异，实施有差异的支护设计和施工优化与精 细化，既可保证隧道工程安全又可节约造价，提高工 效，实现片理化非均质的大跨度隧道的快速施工。 本隧道段及其他类似隧道段后来均按此初期支护优 化设计优化方案进行施工，这些隧道目前已竣工一 年左右，没有任何一段隧道因此发生事故或出现病 害。实践证明，这一设计优化和深化措施是安全可 行和富有成效的。 ５ 结论 在岩石力学试验、详细地质调查分析和对隧道 围岩快速重新分级的基础上，采用数值分析方法对 围岩介于Ⅲ级与Ⅳ级之间的隧道两种工况进行了施 工模拟，结果显示：①当隧道围岩处于Ⅲ级与Ⅳ级 之间，上台阶围岩质量普遍比下台阶好，下台阶围岩 较破碎，岩层厚度相对较薄，软岩夹层较多、较厚时， 水平和竖向位移较大区域及开挖塑性区均明显集中 于隧道底部，且变形超过了规范允许值，锚杆轴力、 喷层轴力均很大，喷层弯矩分布不均，应采用１Ｖ（Ａ） 级围岩支护设计进行施工，但钢拱架间距可由 ９０ ｃｍ放稀至１００ ｃｍ；②当上下台阶围岩质量均较 好，其最大水平位移较小，竖向位移最大值发生在拱 顶，但在相关规范允许范围内，锚杆轴力和喷层轴力 比工况ｌ小得多，且喷层轴力和喷层弯矩分布较均 匀，隧道底部塑性区分布不明显。可采用ＩＶ（Ａ）级 围岩支护设计进行施工，但仰拱可以取消。 实践证明，本次数值模拟直观地反应了两种工 况下的地质条件及各种参数，为隧道支护设计优化 和深化提供了简便快捷的方法，显著地节约了隧道 建设时间和造价，为类似地质条件下的隧道设计和 施工提供了有益的借鉴。 ． ［参考文献］ ［Ｉ］ 张延新，蔡美峰，等．高速公路隧道开挖与支护力学行为研究 ［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００６，２５（６）：１２８４—１２８９． ［２］ 郑颖人．岩土数值极限分析方法的发展与应用［Ｊ］．岩石力学 与工程学报，２０１２，３１（７）：１２９７—１３１６． ［３］任长吉．公路隧道围岩稳定性分析及支护对策研究［Ｄ］．长 春：吉林大学。２００８：２—４． ［４］ Ｃｕｎｄａｌｌ Ｐ Ａ．Ａ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｂｌｏｃｋｙ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ａ］．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄ・ ｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅ・ ｃｈａｎｉｃｓ［Ｃ］．Ｎａｎｃｙ Ｆｒａｎｃｅ，１９７１：８—１２． ［５］Ｐｏｕｌｏｓ．Ｈ．Ｇ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｉｌｅｓ ｉｎ ｓｏｉｌ ｕｎｄｅｒｇｏｉｎｇ ｌａｔｅｒａｌ ｍｏｖｅ— ｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ Ｄｉ— 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