隧道v级围岩支护结构设计：软岩隧道超前预加固布置优化与地层力学响应

应华峰 王连勇 叶晖 刘在礼 欧阳奥辉 刘畅浙江省建投交通基础建设集团有限公司 长安大学

摘 要：掌子面超前预加固是软弱围岩隧道施工的关键环节，以既有隧道为工程依托，采用有限元三维数值模拟对软弱围岩隧道不同超前玻璃纤维锚杆支护形式进行研究，对锚杆的空间布置及其与地层的力学响应进行分析。研究结果显示：综合加固效果与工程材料用量，0.4 bolts/m2是掌子面超前锚杆布置的最佳密度；对于掌子面超前锚杆的局部加密效果，开挖面下部加密能够有效控制后方岩土体变形，但结合地层力学响应，掌子面中部加密的效果最佳。

关键词：公路隧道;超前预加固结构;数值计算;玻璃纤维锚杆;地层力学响应;

基金：国家自然科学基金，项目编号51678062;

软弱围岩具有围岩强度低、岩体完整性差、自稳能力弱、流变特性显著等特点[1,2,3,4],在软弱围岩地层中修建隧道时，极易引起隧道掌子面坍塌，严重威胁隧道的施工安全。因此，掌子面稳定性问题是软弱围岩隧道修建的关注核心，对于山岭隧道而言，掌子面的稳定性需要通过超前预加固措施来实现，主要包括超前锚杆、超前管棚、水平旋喷桩等。

这种通过掌子面预加固措施来提高掌子面稳定性的方法属于新意法的应用范畴，目前已被成功的应用于境内外诸多隧道，如法国的Tartaiguille隧道[5]、中国的兰渝铁路桃树坪隧道[6]、武广客运专线浏阳河隧道[7]以及郑万铁路高家坪隧道[8]等。此外，境内外学者对软弱围岩掌子面超前预加固结构设计理论与实践进行了一定研究，Peila[9]采用有限元数值模拟对分别采用管棚和掌子面玻璃纤维锚杆加固的掌子面力学行为进行了分析。刘勇等[10]探索了水平旋喷桩预加固技术在风积沙地层隧道的应用。Yoo等[11]用数值模拟分析了不同掌子面锚杆设计密度、搭接长度、锚杆材料工况下，地层变形、塑性区发展、开挖面挤出位移等因素的演化过程。Kavvadas等[12]采用数值模拟的方法研究了不同地层条件下的最优锚杆空间布置形式以及最合理密度、合理进尺等设计参数。 Oreste等[13,14]在简化筒仓模型的基础上，采用块体平衡理论求解了考虑锚杆受拉与抗弯协同作用下的开挖安全系数。Oreste等[17,18]在Perazzelli等[15,16]的锚杆理论基础上，对掌子面锚杆设计理论进行改进。Prisco等[19]设计了1 g室内模型试验，探究了不同掘进速率、不同掌子面锚杆密度、不同掌子面锚杆材料下的地层力学响应。刘世杰等[20]研究了隧道地表注浆预加固技术在全风化花岗岩地层隧道的应用。Zhang等[21]采用强度折减法计算了掌子面锚杆加固后的开挖面安全系数。Ding等[22]采用极限分析法对超前小导管加固下的开挖面支护力大小进行了分析。

根据上述研究不难看出，当前软弱围岩隧道开挖面稳定性分析与超前支护结构设计研究进展已经 取得了较大突破，相应理论也逐渐成熟。但值得注意的是，当前研究中大多将超前支护结构与地层力 学响应割裂开来，其实二者之间是一个相互影响与互相干涉的耦合过程。因此，基于前人研究成果，本文采用有限元数值模拟，依托既有隧道工程建立三维数值模型，研究了不同掌子面超前锚杆密度与空间布置形式对开挖面稳定性的影响，分析地层的力学响应与超前预支护锚杆的受力关系，最后对超前锚杆对地层土拱效应的演化规律进行了探析。

申嘉湖高速公路安吉孝源至唐舍段东家山隧道为全线控制性工程，隧道设计为高速公路双向四车道，设计时速为100 km/h, 根据地质初勘和施工现场情况，隧道全长Ⅳ级、Ⅴ级软弱围岩分布广泛，隧道掌子面节理裂隙发育，岩土体整体性较差，无渗水情况，综合各项指标判定为Ⅴ级围岩。本文采用数值分析软件FLAC 3D对东家山隧道进行分析 ,根据圣维南原理，模型尺寸设置为152 m(水平)×100 m(竖向)×60 m(纵向),将隧道断面设置于y=0的平面上，沿y轴正向进行隧道开挖，数值模型见图1所示。在模型底部赋予x、y、z三个方向位移约束，不允许其产生变形，在侧边墙施加x方向位移约束，前后边墙施加y方向位移约束，模型顶部设置为自由面，不做任何限制。

图1 数值模型 下载原图

采用摩尔-库伦模型(Mohr-Coulomb)模拟围岩材料、弹性模型(Elastic)模拟支护结构、空模型(Null)单元模拟开挖部分。在隧道掌子面布置直径为10 cm的12 m玻璃纤维锚杆进行超前预加固，锚杆布置方式为1 m×1 m梅花形布置，采用锚索(Cable)结构单元模拟掌子面超前锚杆，隧道开挖至20 m位置，二衬滞后4 m施工，如图1所示。围岩力学参数见表1所列，初支、二衬等材料力学参数见表2、表3。

表1 围岩力学参数 导出到EXCEL

表2 支护结构力学参数 导出到EXCEL

表3 玻璃纤维锚杆加固区参数 导出到EXCEL

为了研究不同超前加固布置形式对隧道施工过程中开挖面稳定性的影响，采用以下计算方案。

(1)探究锚杆数量对开挖面稳定性的影响，采用控制变量法，其余参数保持不变，锚杆密度取0.2 bolts/m2、0.4 bolts/m2、0.6 bolts/m2、0.8 bolts/m2分析开挖面的应力及变形规律。

(2)研究开挖面锚杆局部加密对稳定性的影响，采用单因素分析，开挖面布置锚杆总数不变，分别研究开挖面上、中、下等3部分锚杆布置加密的开挖面应力及变形规律。

本研究主要对比开挖面玻璃纤维锚杆布置密度分别为0.2～0.8 bolts/m2时隧道开挖面的位移变化、地层土拱区域分布及锚杆受力和位移情况。隧道开挖面测线布置如图2所示，取开挖面横截面竖向中心轴线为第一条测线(中心测线，测线1),取开挖面中心水平测线为第二条测线(腹部测线，测线2),取隧道拱顶至地表测线为第三条测线(拱顶测线，测线3)。

图2 隧道开挖面挤出变形测线布置 下载原图

整理两条掌子面测线的数据后，不同掌子面水平锚杆密度加固条件下，开挖面挤出位移与其所在的相应位置关系如图3所示。

由图3可知，根据在开挖面的中心测线与腹部测线数据反映，在不同高度位置的开挖面挤出位移呈现先增大后减小的规律，而在腹部测线位置的开挖面挤出位移呈抛物线形分布，这是由于隧道开挖，掌子面变成临空面，位于掌子面中心的区域完全失去约束，但位于掌子面周边的土体仍然受到隧道周边围岩的约束，所以周边区域的挤出位移小于中部位置。掌子面中部区域无约束，该位置土体会根据掌子面滑楔体的强度不同产生不同程度的挤出变形，并且随着锚杆布置密度的增大而减小，在0.2～0.8 bolts/m2几种工况中，开挖面最大挤出位移集中在测点高度4 m的隧道中心。当锚杆布置密度为0.4 bolts/m2时的开挖面挤出位移与后面几种工况相差不大，所以可以认为此时的锚杆布置密度既能满足开挖面安全稳定性要求，又能防止过度支护，节省工期。

图3 隧道开挖面挤出位移 下载原图

软弱围岩隧道由于围岩工程性质较差，常常发生坍塌、冒顶等工程事故，为了更深入地研究掌子面预加固锚杆对开挖面及开挖面后方上部岩土体稳定性的影响，这里从应力尺度对锚杆的加固机理进行研究，在数值模型上方布置一条测线，分别提取隧道开挖前和开挖后的有关测点的水平应力和竖向应力，根据开挖前和开挖后的应力比曲线确定隧道开挖面后方土拱范围，以此来确定围岩在开挖扰动后的变形情况。

图4展示了在0.2 bolts/m2工况下，隧道开挖前后拱顶测线的水平应力和竖向应力随埋深分布情况。由图4可知，在隧道开挖前，随着埋深的增加，其竖向应力呈现线性增加的趋势，可以近似认为竖向应力为γH。然而在隧道开挖后，由于掌子面的开挖卸荷，地层初始力场发生了应力重分布现象，根据太沙基土拱理论[24],开挖面上部松动荷载区与周围稳定地层的次生差异沉降将使得地层竖向应力通过剪应力传递到地层两侧。具体体现为，其竖直应力急剧减小，水平应力逐渐增大，随着离隧道拱顶距离的增加，围岩内部的应力逐渐恢复至原始应力水平。

图4 0.2 bolts/m2密度下拱顶测线的应力分布 下载原图

为了便于分析土拱的演化规律，在未施加支护的云图上进行压力拱内边界示意。根据文献[23],可认为土拱边界是开挖后最大主应力极大值出现的位置。不同掌子面锚杆密度下，隧道开挖前后拱顶测线上的土拱高度如图5所示，隧道纵断面与横断面上土拱的演化规律如图6所示。

图5 开挖面拱顶测线的土拱高度 下载原图

图6 不同掌子面锚杆密度的隧道开挖面横纵断面上土拱演化规律 下载原图

图6展示了不同掌子面锚杆密度下，隧道开挖面后方扰动区土体横断面与纵断面上的土拱演化规律。由图6可知，掌子面超前玻璃纤维锚杆对开挖面稳定性增强显著，根据土拱形状变化可知，随着锚杆布置密度的增加，开挖面的土体松动区域逐渐减少，此时土拱边界呈现出明显的收缩态势。当掌子面水平锚杆的密度为0.4 bolts/m2时，开挖面能够保持稳定且满足隧道开挖的安全要求，但随着继续增大掌子面锚杆的密度，土拱收缩面积减小，此时可以认为掌子面锚杆布置密度为0.4 bolts/m2的工况是切合工程实际的。

选取掌子面锚杆密度为0.4 bolts/m2时，开挖面挤出位移最大处作为最不利位置，提取最危险的掌子面锚杆进行力学响应分析，掌子面锚杆测点分布如图7所示。1～6号掌子面锚杆的水平与竖向位移如图8所示。

图7 掌子面锚杆测点 下载原图

图8为监测锚杆上水平与竖向位移随其距离开挖面临空面距离的变化情况。从图8(a)竖向位移变化规律可以看出，除隧道掌子面水平轴线以下的4号监测锚杆以外，其余锚杆具有相同的变化规律，处于该分界线处的3号、5号、6号锚杆以及上部的1号、2号锚杆均呈现出先增大后减小的趋势，下部的4号锚杆呈现先减小后增大的趋势。从图8(b)水平位移变化规律可以看出，掌子面中轴线上的锚杆(1～4号测点)水平十分小，且其位移规律保持一致。而轴线左右两侧的锚杆(测点5与测点6)上的水平位移在规律上保持一致，随着距离开挖面临空面的距离增加而减小，但整体而言，掌子面锚杆水平位移较小。

图8 掌子面锚杆水平与竖向位移 下载原图

图9展示了锚杆布置密度为0.4 bolts/m2下，掌子面最不利位置处超前锚杆的应力云图。从图9中可以看出，位于掌子面上部及下部的超前锚杆所受应力较小，位于掌子面中部的超前锚杆所受应力较大，所以可以认为掌子面中部区域是最不利区域，该位置的锚杆也极易发生破坏；对于单根锚杆而言，位于掌子面后方土体深处锚固端的锚杆受力较大，位于掌子面位置处自由端的锚杆受力较小，锚杆受力并不均匀，随着距离掌子面深度的增加，锚杆受力也在逐渐增加。

图9 掌子面锚杆应力云图 下载原图

在隧道开挖面滑动破坏区滑移过程中，极少出现掌子面锚杆集体失效的情况，相反其破坏主要发生在受力最不利处。因此在超前预加固锚杆的布置过程中，可以对掌子面锚杆最不利地区进行锚杆加密，以期实现掌子面对锚杆加固性能的充分利用。为了探究锚杆加密的最佳位置，以0.2 bolts/m2工况为基本工况，在保持开挖面掌子面锚杆总数一定的情况下，分别对开挖面上、中、下部锚杆进行加密，研究加密以后的开挖面的受力与变形情况以及锚杆的力学行为响应。有关测线及锚杆加密布置示意如图10所示。

图10 上、中、下部加密示意 下载原图

由图11可知，在保持掌子面锚杆总数目不变的条件下，改变掌子面锚杆的空间布置，掌子面局部进行加固对开挖面挤出变形是有一定影响的。就上部加密而言，在开挖面上部的挤出位移急剧减小，变形几乎为0,但开挖面下部的位移和未加密工况基本一致。下部加密则相反，在开挖面上部区域的位移和未加密工况相差无几，但下部的挤出位移得到了很大的控制。相较于前两种工况，中部加密使得隧道开挖面整体变形都得到了一定程度的削弱，主要体现在开挖面中部，但值得注意的是，在开挖面上部与下部挤出位移均出现了削弱现象，说明在开挖面中部位置进行锚杆加密，能够使得开挖面整体的稳定性得到提高。整体而言中部加密的位移总量最小，可以认为中部是开挖面超前锚杆布置加密的最佳位置。

图11 不同加密形式下的竖向测线上的掌子面挤出位移 下载原图

图12是3种加密工况下的水平测线挤出位移与其高度的关系。由图12可知，在开挖面进行局部加密之后，不同加密区域的变形依旧集中发生在开挖面中心位置。根据3条测线的挤出位移对比可以发现，虽然加密位置处于测线位置，但对隧道开挖面中部区域加密后，隧道挤出位移最大处仍然位于中部。相应地，对中部地区进行适当的锚杆加密布置，能够有效促进开挖面的稳定性。

图12 不同加密形式下的水平测线上的掌子面挤出位移 下载原图

由图13可知，开挖面超前锚杆局部加密对开挖面上部地层的应力影响较小。但对比施加局部加密前后情况，3种工况隧道围岩内部应力均有小幅增加，在土拱内边界松散区域依然存在应力变化，后部稳定岩层的竖直与水平应力基本不变，且对于3种加密工况，中部加密的应力水平较高，上部加密次之，下部加密最低也最接近未加密工况。说明局部锚杆加密对于围岩内部的应力影响较小，可以忽略。

图13 不同加密形式下的拱顶测线上的应力分布 下载原图

由图14可以看出，开挖面的滑动破坏区是大致成滑楔体的，这与我们采用的滑楔体假设是相符的。随着开挖面超前锚杆布置的局部加密，开挖面滑楔体形状均出现了不同程度的变化：对于上部加密工况而言，滑移体上部土拱范围较未加密时小，下部楔形体部分基本一致，说明上部加密增强了对开挖面上部松散土体的锚固作用；与上部加密不同，中部加密工况的增强作用并不单一体现在上部拱体与下部楔形体，开挖面后方滑移区域整体减小；下部加密工况与前二者均不同，开挖面下部楔形体变化较大，滑移体整体上移，但上部松散区域变化较小。

图14 不同加密形式下的土拱边界变化 下载原图

由图14还可以看出，隧道的滑楔体的楔角与隧道掌子面底部不重合，而是呈现一个较开挖面高度更小的楔体，且随着开挖面锚杆的加密形式发生变化，这一现象曾被Anagnostou等[25]观察到。这一现象进一步说明了超前预加固结构与地层的土拱效应是相互影响的。

为了研究锚杆加密区锚杆的力学响应，提取加密中部工况中加密区最不利位置的锚杆应力云图，如图15所示。

图15 锚杆力学响应 下载原图

由图15可以看出，位于围岩深处的锚杆端部受力较大，位于开挖面处的锚杆自由端受力较小，在整个掌子面区域，所有超前锚杆受力较为均匀，说明在掌子面中部进行局部加密对于掌子面的整体稳定性具有较好的增强作用，极大地削弱了隧道开挖扰动产生的掌子面后方土体的滑移运动。

锚杆布置密度对开挖面稳定性影响显著，对于软弱围岩隧道而言，隧道开挖使得围岩产生应力重分布，在上部岩体的作用下，开挖面极易产生较大的变形甚至破坏，因此需要在开挖面布置超前预加固锚杆，以达到楔紧开挖面松散岩土体的作用，通过对软弱围岩隧道开挖面进行锚杆布置的数值模拟研究，得出以下结论。

(1)在软弱围岩隧道开挖过程中，超前预加固锚杆能够有效解决隧道开挖面的稳定性问题，但并不是锚杆数量布置越多，对掌子面的加固效率越高。当锚杆布置密度为0.4 bolts/m2时，其加固效果较好，且能够更好地节省锚杆数量，减少工程材料。

(2)通过对开挖面上部、中部、下部区域的局部锚杆加密的研究，可以认为在0.2 bolts/m2工况下，局部锚杆加密对开挖面挤出位移有控制作用，且效果显著，锚杆加密对开挖面后方岩土体的应力变化影响并不大。

(3)锚杆的加密布置能够有效控制后方松散岩土体的滑移，从后方岩土体的变形控制考虑，下部加密的效果更佳，但从开挖面挤出位移的综合抑制作用角度考虑，可以认为中部加密能够有效地解决开挖面变形问题。

[1] 张德华，刘士海，任少强.基于围岩-支护特征理论的高地应力软岩隧道初期支护选型研究[J].土木工程学报，2015,48(1):139-148.

[2] 刘国庆.木寨岭隧道软岩大变形段支护措施研究[J].现代隧道技术，2011,48(4):135-141 147.

[3] 刘建友，赵勇，过燕芳.软弱围岩隧道安全快速施工技术研究[J].隧道建设，2011,31(S1):381-387.

[4] 关宝树.软弱围岩隧道变形及其控制技术[J].隧道建设，2011,31(1):1-17.

[5] Pietro Lunardi,Bindi R,et al.Technical and Financial Planning of Underground Works:the ADECO-RS Method[C]//VI Europeo Forum of Engineering Economics-Bocconi University-Milan.1993.

[6] 李世才.桃树坪隧道富水未成岩粉细砂试验段施工技术[J].现代隧道技术，2012,49(4):111-119 139.

[7] 黄鹤.浏阳河隧道掌子面超前预加固施工技术研究[D].成都：西南交通大学，2011.

[8] 曹家骐.新意法在高家坪隧道施工中的应用研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2019.

[9] Peila D.A theoretical study of reinforcement influence on the stability of a tunnel face [J].Geotechnical & Geological Engineering,1994,12(3):145-168.

[10] 刘勇，孙星亮，朱永全，等.水平旋喷预支护技术在铁路隧道中的应用 [J].岩石力学与工程学报，2002,(6):905-909.

[11] Yoo C,Shin H-K.Deformation behaviour of tunnel face reinforced with longitudinal pipes—laboratory and numerical investigation [J].Tunnelling and Underground Space Technology,2003,18(4):303-319.

[12] Kavvadas M,Prountzopoulos G.3D Analyses of tunnel face reinforcement using fibreglass nails[C]//proceedings of the Eur:Tun 2009 Conference Bochum,F.2009.

[13] Oreste P.Face stabilisation of shallow tunnels using fibreglass dowels [J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Geotechnical Engineering,2009,162(2):95-109.

[14] Oreste P,Dias D.Stabilisation of the excavation face in shallow tunnels using fibreglass dowels [J].Rock mechanics and rock engineering,2012,45(4):499-517.

[15] Perazzelli P,Anagnostou G.Stress analysis of reinforced tunnel faces and comparison with the limit equilibrium method [J].Tunnelling and underground space technology,2013,38(1):87-98.

[16] Anagnostou G,Perazzelli P.Analysis method and design charts for bolt reinforcement of the tunnel face in cohesive-frictional soils [J].Tunnelling and Underground Space Technology,2015,47(3):162-181.

[17] Oreste P.The dimensioning of dowels for the stabilization of potentially unstable rock blocks on the walls of underground chambers [J].Geotechnical and Geological Engineering,2009,27(1):53-69.

[18] Oreste P,Cravero M.An analysis of the action of dowels on the stabilization of rock blocks on underground excavation walls [J].Rock mechanics and rock engineering,2008,41(6):835-868.

[19] Di Prisco C,Flessati L,Frigerio G,et al.Experimental investigation of the time-dependent response of unreinforced and reinforced tunnel faces in cohesive soils [J].Acta Geotechnica,2018,13(3):651-670.

[20] 刘世杰，刘泽，吴建和，等.铁路隧道全风化花岗岩地层地表注浆技术 [J].现代隧道技术，2019,56(6):181-186.

[21] Zhang X,Wang M,Wang Z,et al.Stability analysis model for a tunnel face reinforced with bolts and an umbrella arch in cohesive-frictional soils [J].Computers and Geotechnics,2020,124(8):103635.

[22] Ding W,Wang H,Liu K,et al.Stability Evaluation Model of a Tunnel Face Excavated by the Benching Method in a Soft Silty Clay Layer [J].International Journal of Geomechanics,2021,21(4):04021022.

[23] 唐苗.非圆形隧道围岩压力拱研究 [D].贵阳：贵州大学，2018.

[24] Terazaghi K.Theoretical soil mechanics [M].John Wiley and Sons,1965.

[25] Anagnostou G,Perazzelli P.The stability of a tunnel face with a free span and a non-uniform support [J].geotechnik,2013,36(1):40-50.