基于温度渗流场的炭质岩隧道围岩支护优化研究

岩 的炭质岩优化研究作者简介蓝思伟伟((1976976——)) ,工程工程

师师 ，主要从事 工程工程

勘察和施工工作；

骆俊晖骆俊晖(#985985——)) ,工工学

博士 ,工程师,主要从

事事岩土工程 工程 的研的研,广西南宁530029；2.广西交通设计集团有限公司,广西南宁摘要：炭质岩分布区隧道围岩的开挖变形和运营期稳定问题是高速公路隧道所面 的共性课题。文章结合河(池)百(色)高 机场隧道 情况,建立Midas模型,基于温度场及渗流场研究不同支护参数下岩体的蠕变以及变形速率发展规律,并通 过对机场隧道支护参数

，为以后类似工程

参考与 &关键词： ；隧道;温度渗流场;支护 ；有限元中图分类号：U451) 文献标识码：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst. 2019. 04. 026 文章编号 1673 - 4874(2019)04 - 0099 - 06Research on Surrounding Rock Support Optimization of Carbonaceous Rock

Tunnel Based on Temperature Seepage FieldLAN En-wei1, LUO Jun-hui2(1. Guangxi Shuangxiang Construction Engineering Co. , Ltd. , Nanning, Guangxi, 530029； 2. Guangxi

Communications Design Group Co. , Ltd. , Nanning , Guangxi , 530029)The excavation deformation and the stability at the operation period of tunnel surrounding

rock in the carbonaceous rock distribution area are comm on problems faced by the expressway

tunnel.Combining the monitoring situation of Airport Tunnel in Hechi-Baise Expressway , this article es­tablishes the Midas model to study the creep and deformation rate development law of rock mass un­

der different support parameters based on the temperature field and seepage field and conducts the

optimization analysis on Airport Tunnel support parameters , thus providing the referenee for similar projects in the future.Carbonaceous rock； Tunnel； Temperature seepage field； Support optimization；Finite ele-0引言是

有机质碳的特殊岩，分为 、页岩、灰岩,具有环：感、、崩解、软 工程特性布 ，由 的隧道大形、衬砌开裂等工程问题层出 ，尤其当 道在温度场及渗流场下时围形更为显著。为

道的施工 及 性,必须对 行实控,并在考虑温度和水压力环境下对 道 形进行预测,, 同支护参数下对 道 性的影响,综合考虑、安全的 支护方案1工程概况与岩性和节理1. 1工程概况依托工程一一广西河池至百色高速公路(以下简称河百路),位于广西西北部,20 1 9年第4期总第4 44期 99桥隧工程 BRIDGE AND TUNNEL ENGINEERING地 贵高原台地东部边缘，总体地势西北高、东南 低。路线大 北东〜南 向，沿线地形起伏较

布置，二衬0. 6 m进行支护。(3) B1喷射 (4) B2喷射 (5) C1喷射

0. 24 m,锚杆间距1. 5 m,梅花 0. 24 m,锚杆间距0. 5 m,梅花 0. 24 m,锚杆间距1 m,梅花桩 大，地形复杂。河 机场隧道为

K2 + 815〜K4 + 665。该隧道穿

道，左、页岩，需桩布置，二衬0. 6 m进行支护。桩布置，二衬0. 6 m进行支护。线 桩号Z2K2 + 815〜Z2K4 + 630,右线 桩号

要 研究。1 ■ 2岩性和节理道穿越的岩性为 、，丿

为 结构，薄层〜中层状构造&根据风程 同 为强 、中

层，分述如下：(1) 强

、

，泥页岩一为灰黄色， 、

黑色，F 交软，裂隙 ，岩体 ，裂隙多为 &层厚一为2. 5〜2 0 m不等&(2) 中 、

， 黑为主,岩性也

为主, 硬，裂隙 ，岩体较完整，岩石具 性,

&强度是相对较低的软 ，呈黑灰色，岩质结构，页、板理状构造，岩质软，遇水易软， 裂隙 ， 、 ，

中&类 出露地表易风化，常出 胀、泡水易

软化现象，软化系数为0. 26〜0. 5,饱和抗压强度为

0. 14〜1 2 MPa， 地下水溶蚀作用下易产生溶

孔或溶沟。若选择 作为地基持力层，贝生工程基础滑移、不均 形,且山体及工程设场地边坡沿软弱 生滑坡等地 ，对工程建设

&2研究内容对

道 ， 温度场、渗流场、位移 ，揭示隧道

的强 化及 位移规律、蠕 情况，基于Midos模型计算

道不同支护 下的 性3 &对于炭质岩围岩隧道，现彳支护方案中普遍选择

复合衬砌支护，喷射

0.24 m,锚杆间距1 m,梅形布置(交错布置)，二衬厚度0. 6 m支护。通过Mi- dos模拟隧道温度及渗流环境，计算 道变形以，以下是6种支护 4：6)：(1) A1喷射 0. 36 m,锚杆间距1 m,梅花桩

布置，二衬0. 6 m进行支护。(2) A2喷射

0.12 m,锚杆间距1 m,梅花桩

100西部交通科技Western ChinaCommunications Science & 處11*0101(布置，二衬0. 9 m进行支护。：6)C2喷射

0. 24 m,锚杆间距1 m,梅花桩布置，二衬0. 3 m进行支护。2. 1监测断面布置机场隧道左线桩号Z2K4 + 055〜Z2K4 + 075

道 ，如图1所示。根据现场的情况 设位移计、 杆计、渗压计、 压 及

温湿度计。布置的 断面共5个，每隔5 m断 ：设传 & 断

别在 0°、45°、90°、135°、180°,共5

向钻6 m深的孔，详见图1、图2。Z2K4+055Z2K4+055 Z2K4+060 Z2K4+065 Z2K4+070 Z2K4+075图1炭质岩隧道围岩现场监测布置图图2炭质岩隧道监测断面传感器布置图(1) 多点位移计传 的布置、埋设及数据采集&

在隧道 孔,孔径为75 mm,长度为6 m, 卜孔内布置位移传 & 位移计的 用 筒

与 ，测点间采用PVC套筒保护。(2) 压力传 、应变传 的布置和传 •埋

设及数据采集&压力传 设置 次衬砌和二次

衬砌之间；应变传 设置

上,每个断面设置

5个位置;每个传 与数据线连接，数据线由PVC护&基于温度 流 的炭 岩隧道围岩 护 化研究/蓝恩伟\"2.2现场试验实(1) 钻孔。采用潜孔钻机对目标桩号隧道围岩已3现场监测结果分析孔作业&完成初衬的位置

。(2) 埋设传感器。完成打钻工序后，开始埋设传 (3) 传 及线路的保护措施。为 护传感器道施工期，每天 次拱 形和 i变形,上述传 设完成后，每天 数据。隧道完工后

个月 1次8 &1次。隧道通车期间2年内，每1及线，课题组采用 置，使用PVC

筋之间将传

线路沿 道拱圈和边墙布护。同 线路穿过保护 道二衬位置的布置, 上位移计 数据中负数为受拉力，正数为受压。道 1〜5断面中的0°； 、45°左设位移计,深度为6 m&由于施工原因，尚未

对隧道拱顶位移 控量测。现采集近1 00d的位移时程曲线，结果如图3所示。衬倒 ，用PVC

线 断。 道 询护传 线路的端部()。O

20

40608000

时间(d)) 200.040

6080100 (-0.5(UIUI)1-1.0 §

$-1-5-2.0-2.5图3围岩位移监测结果曲线图由图3(a)〜(d)得到：位移均为负数(# 拉,且位移 间关系曲线(简称位移时程曲线)均的应 放、温 的岩体蠕变、裂隙处渗透水压、泥化，是、地下水及降雨等，因此需要考虑综合因形规律。 道开挖后发生 软弱岩体，将发生蠕 象1 0)。为 数型，除个别曲线以外形态基本

剧

&位移时程曲线 变缓，曲线 ，经过近40d后曲线间增大, 率(斜率)减小，曲线最终趋 。其中, 大位移(第5断面0。边墙右侧位置)达到-35 mm,最小位移(第4断面45°拱 肩

4 Midas计算模型根据隧道施工图纸和施工勘察 Midas模型,隧道为标准双向双车道隧道，施工左线采用全

位置)接近0 mm。机理 ：影响围岩变形的因素有隧道开挖引起2019年第4期总第141期！ 01桥隧工程 BRIDGE AND TUNNEL ENGINEERING断面开挖法施工，右线米用台阶法施工,岩性为'

\" 为

设置节水节点，通过勘察 得知压力

结构，薄层〜中层状构。根据 程 同 为强 、中 两为20 MPa。其中隧道开挖面由 开挖影响，岩层 ，影响了渗流分布，节水节点压力大 体渗 流压力，根据 数据测量为25 MPa（见图5）。层（见图 4）（1：13）。4. 1参数取道衬砌采用 & 参数由工程勘，并结合规范要求和数值模拟中参数

的需要，给出

的物理 参数及衬砌 参数。数值计算中 的

型采用莫尔库仑理论型,其岩层参数取值见表1和表2。表1岩层参数取值表名称弹性模量（性\"m量泊松比容重）压蔦豐阻尼比(kN/m3中风化岩2 = 1060. 32230.5 = 06 0.05强6= 1 050. 3380.5

= 06 0.05表2 岩层参数取值表容重 渗 渗 渗 名（饱和）

系数系数系数粘聚力摩擦角（kN/m3）kxkJkzC (kN/m2)& （°）中231116045强1 81115030衬砌采用 单元形式，即梁单元和实体平面应单元用

拟隧道衬砌的弯矩、轴力、剪力和各个应力，支护参数取值如表3所示。表3支护参数表名弹性量(kN/m2)泊容重热胀

(kN/m3)系数阻尼比二衬1 7 = 1 070.2221 = 1 0-60.05软喷混凝土6.0= 060.2221 = 1 0：60.05锚杆2.0= 080.3601 = 1 0：60.05喷混凝土硬化.6= 070.2221 = 1 0：60.05102西部交通科技Western ChinaCommunications Science & 處11*0101(图5节水节点布置云图道开挖、支护过程中，机械设备和 硬化会

大量的热量，若无法及时降温，会 热量，继而影响 温度。岩体为正常温 ，不受道施工影响，隧道周边 温度为29 °C时,受到施工影响（见图6）&4.2数值计算结果计算100 d的位移结果，如图7、图8所示。DISPLACEMENTTOTAL T,mm+1.33027e+001,16399e+00124.3%+9.97702e+00025.7%+8.31418e+000.-------18.1%+6.65135e+000T 10.3%+4.98851e+000■ 7.6%+3.32567e+000■ 2.3%■ +1.66284e+000■ 1.6%■ +0.00000e+000图7第1 00d隧道整体变形结果云图基于温度 流 的炭 岩隧道围岩 护 化研究/蓝恩伟\"DISPLACEMENT图8第1 OOd隧道二衬变形结果云图BEAM FORCEAXIAL FORCE,kN-4.76009e+002-8.98061e+002-1.32011e+003-1.74217e+003-2.122e+003图9第1 OOd隧道二衬应力云图在计算结果中，左线隧道拱顶位移最大沉降为

1 0. 72 mm,其次为拱腰、隧道拱墙，隧道仰拱位移沉

降 。右线隧道相对 线隧道采用全断面开挖,位移 。隧道

主要集中在拱顶和仰拱上，其次是拱腰、边墙。其中左线隧道仰拱

大为-2 1 .22 kN（见图9）,因为采用

开挖，分部支护整体性较差，应力主要集中

拱中。采用全断面开挖,整体支护,整体性好,应

布在整体结构中。4.3现场监测数据对比分析现场第1 00 d的

结果如表4所示。表4第1 OOd监测结果表编号位置位移单位1 2 4280。角6. 95mm1 2 43 10。角6. 93mm1 2 46545。角8.6mm246845。角8.92mm通过有限元计算和现场 结 对比，得知

MidQS模型 准

道在渗流场、温度场影响下的 位移情况，隧道拱顶位移最大，其次

是拱腰、边墙位移 & Midas计算结果具有重要的 参考价值。5支护优化对比分析喷射

、锚杆、二衬作为新

道支护的主要手段，对

合理选择 有效支护隧道围高隧道

性。通过调整其参数，研究其位移规律，可为今后类似工程建设

参考依据&A1喷射

0 36 m,锚杆间距1 m,梅花桩布置，二衬0. 6 m进行支护，见图1 0。图1 O增加二衬厚度变形结果云图增加喷射

厚度，图1 0位移 为0.68 mm\"

厚 幅 拱顶位移的 。A2 喷射 0. 2m\" 杆间距 m\" 桩布置，二衬0.6 m进行支护，见图1 1 &DISPLACEMENT杠

■岭、TOTAL T,mm、 .-+2.18521e+001|28.7%R +1.88420e+001H 29.9%+1.58320e+001H

13.8%—_ 一-一\" +1.28219e+001127.6%■ +9.81187e+000图1 1减小喷射混凝土厚度隧道二衬变形结果云图减小喷射 厚度，图1 1位移 为2 1 . 85 mm, 厚 幅 拱顶位移的 &B1喷射混凝土0. 24 m,锚杆间距1 . 5 m,梅花桩

布置，二衬0. 6 m进行支护，见图1 2。图1 2增加锚杆间距隧道二衬变形结果云图杆间距后，左线拱顶（见图1 2）位移

为2 .86mm。B2喷射混凝土0. 24 m,锚杆间距0. 5 m,梅花桩 布置，二衬0. 6 m进行支护，见图1 3。图 3 减小锚杆 距隧道二 变形结果 图2019年第4期总第141期！ 03桥隧工程 BRIDGE AND TUNNEL ENGINEERING杆间距后，左线拱顶(见图1 3)位移 开挖 ，减小对 的扰动，及时支护有为0. 68 mm。C1喷射混凝土 0.24 m,锚杆间距1 m,梅花桩布

杆宜采用黏结

体 作用。杆,通过灌浆可以对周边置，二衬0.9 m进行支护。DISPLACEMENT(2) 由于炭质岩岩体破百，整体支护效果优于分部支护, 衬厚度效 杆间距，也优喷射 厚(3) 支护过程中，严格控制支护结构厚度,防止厚预留充分的变形空间应〉1 5 cm,防止界限

图1 4增加二衬厚度变形结果云图增加二衬厚度后，左线拱顶位移为0. 66 mm,见

图1 4。C2 喷射 0.24m， 杆间距 m， 桩布

置，二衬0. 3 m进行支护。DISPLACEMENTTOTAL T,mm.■ 28.7%+2.26207e+001R +1.93527e+001N 27.6%+1.60847e+001U 14.9%+1.28167e+001■ 28.7%■ +9.54872e+000图1 5减小二衬厚度变形云图减小二衬厚度后，左线拱顶位移为22. 62 mm,见

图1 5。衬位移变化汇总见表5。表5二衬位移变化结果表编号改参数!0.72mm位移位移0现行支撑参数0.68mm—A1增加喷混厚度变小A2减小喷混厚度21 85 mm变大B1增加锚杆间距210.68mm 86 mm变大B2减小锚杆间距0.66mm变小C1增加二衬厚度!!.!4mm变小C2衬厚度大6结语#)炭质岩受开挖影响大，应该少进尺，采取分部104西部交通科技Western ChinaCommunications Science & 處11*0101(受侵。勃文献.炭质岩的特殊工程性质西部交通科技,20 1 7

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