中交一公局第五工程有限公司渭武试验二标项目 甘肃陇南 742500
摘要：初衬模筑混凝土和锚喷施工的运用比较成熟，但对于黄土地区隧道初衬支护施工工艺的改进及优化的进一步研究、总结较少。文章通过在软弱围岩地层，初期支护采用模筑混凝土施工和锚喷施工关键技术对比研究，总结软弱围岩地层隧道安全施工成套技术，对隧道的安全施工及技术指导具有重要的研究价值。
关键词：模筑混凝土 锚喷支护 软弱围岩地层 数值模拟 安全分析
1.引言
为有效解决软弱围岩地层隧道初期支护完成后变形问题所带来的一些列问题的，提高结构安全性，借鉴“矿山法”原理在软弱围岩地层可采用型钢支护+初衬模筑混凝土刚性支护，即隧道开挖完成后，迅速初喷封闭围岩，然后进行型钢支护，锁脚锚杆施工完成后，立即进行初衬模筑混凝土浇筑，初衬混凝土强度到达设计要求后，能抵抗很大的围岩压力，通过初衬模筑结构的强支撑和被动受力，既能大大减小围岩的变形，又提高了结构的安全性，很大程度的保障了施工过程的安全。
为此，中交一公局五公司渭武试验二标项目成立了课题组，基于甘肃省兰州南绕城高速公路六标项目和甘肃渭武高速公路试验二标项目开展工作，对初衬模筑结构受力进行分析，在软弱地层分别采用“矿山法”的模筑施工和“新奥法”的锚喷支护进行比对分析，探讨软弱围岩地层安全施工的有效方法，并对初衬模筑施工工艺进行系统研究，总结软弱围岩地层隧道安全施工技术。
通过基于土质参数全过程变化的应变软化 FLAC3D三维数值模型，结合理论分析和数值仿真，分析围岩与支护结构相互作用机制，并结合黄土地区地质特点，研究黄土地区隧道两种初期支护衬砌施工的支护效果，比选出更适合黄土等软弱地区隧道施工的初期支护衬砌结构形式。本模拟采取标准隧道断面建模，借助FLAC3D软件，在不同土性参数和围岩压力情况下，分别对“矿山法”的模筑混凝土支护和“新奥法”的锚喷支护进行模拟，研究两者的应力应变、变形（如拱顶沉降）特征和安全度，通过对比探讨软弱围岩地层安全施工的有效方法。
2.模拟参数和假设
2.1 土体参数和假设
本模拟的土共4种，分别为Q1、Q2、Q3黄土和砂砾，本次数值模拟分析着重以Q3黄土为例。土体采用摩尔-库伦模型，假设隧道所处的土层是均质单一的。其中黄土的参数取自《公路设计手册》，砂砾的参数取自《工程地质手册》中的相关内容，详见（见表1）。
从云图上看，模筑法的轴力稍大于锚喷法，两者的分布相似。拱墙的轴力最大，取云图的最大值计算，模筑法的最大轴力N2=0.98MN，锚喷法的最大轴力N2=0.911MN。由此可得模筑法的安全系数为K1=Nu1/N1=4.24，K2=Nu2/N2=2.63。可见模筑法安全度明显大于锚喷法。
对于其他不同土体参数的数据分析结果，其模拟数据分析结果与Q3黄土得出的结论相似，故不在文中重述，详细分析结果在附表1中可查。对比三种黄土，从Q1到Q3黄土的参数在下降，而安全度反而在上升，这说明土体重度对衬砌安全度的影响要大于土体参数的影响。
4.结论
通过数据模拟分析以及初衬模筑混凝土在黄土地层隧道和浅埋砂砾地层隧道中的实际应用得出如下结论：
（1）模筑法和锚喷法的衬砌位移分布规律相同，且模筑法的衬砌位移量要小于锚喷法。锚杆轴力、位移和塑性区等的分布规律，并未随土体参数和围压大小发生太大变化，只在数值上有所不同；
（2）模筑法衬砌的主应力和轴力均大于锚喷法，锚喷支护虽然能够保证结构的安全，但在控制位移方面不如模筑法。且由于模筑法的混凝土极限强度远大于锚喷法，其安全度反而更高；
（3）对于三种黄土，可以看出粘聚力和内摩擦角对拱顶沉降有一定的影响，且是负相关的；土体重度对安全度有很大的影响，其影响也是负相关的；
（4）拱顶沉降与围压成正相关的关系。随着围压的增大，模筑法和锚喷法均在两侧拱脚首先剪坏。锚喷法的拱顶沉降要大于模筑法，且随着围压的增大差别越明显。因此，隧道埋深越大，越应该考虑模筑法；
（5）对比砂砾和Q1黄土，可知粘聚力的降低虽然加大了拱顶沉降，却使得衬砌的变形更加均匀，锚杆和衬砌的受力也较小，安全度最大，可见砂砾层对衬砌结构有一定的好处。对于软弱围岩隧道的支护，应优先采用模筑施工法。
5.工程应用实例
5.1实例一：兰州南饶成西果园隧道初衬模筑施工
兰州南绕城项目承建的西果园隧道位于兰州市七里河区西果园镇。设计为左、右线分离式四车道高速公路隧道，全长3.7km与邻标相对掘进施工。本项目负责进口端左线1794m，右线1722m隧道工程。根据地质勘探及工程地质条件评价西果园隧道全部为黄土Ⅴ级围岩，初期支护设计为模筑C30混凝土。
参考文献:
[1]陈志敏.高地应力软岩隧道围岩压力研究和围岩与支护结构相互作用机制分析[D].甘肃：兰州交通大学.2012.
[2]郑海乐.黄土地区隧道初期支护衬砌结构形式研究[D].陕西：长安大学.2015.
[3]交通部第二公路勘察设计院，公路设计手册[S].北京：人民交通出版社，2004.08
[4]地质工程手册编委会，工程地质手册[S].中国建筑工业出版社，2007.02
论文作者:李建军
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第10期
论文发表时间:2018/8/27
标签：围岩论文; 隧道论文; 黄土论文; 地层论文; 混凝土论文; 软弱论文; 拱顶论文; 《建筑学研究前沿》2018年第10期论文;