浅埋水工隧道支护方案对比研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.023

摘" 要：浅埋水工隧道的建设对于现代城市发展具有战略价值，对其支护结构的研究在隧道的安全性、稳定性、经济性及使用寿命上均具有重要意义。该文以信阳市某浅埋水工隧道项目为例，拟定4种不同工况，通过 FLAC3D 数值模拟软件对其中一段隧道进行支护方案对比分析。结果表明，工况3满足工程安全性要求，且具有较高的经济适用性，研究结果可为相关水工隧道施工建设提供参考。

关键词：浅埋隧道；水工隧道；数值模拟；支护方案；优选

中图分类号：U455.4" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2023）32-0091-04

Abstract： The construction of shallow hydraulic tunnel is of strategic value for the development of modern city， and the research on its supporting structure is of great significance in the safety， stability， economy and service life of the tunnel. In this paper， taking a shallow hydraulic tunnel project in Xinyang City as an example， four different working conditions are drawn up， and the support schemes of one section of the tunnel are compared and analyzed by FLAC3D numerical simulation software. The results show that Working Condition 3 meets the safety requirements of the project and has high economic applicability， and the research results can provide reference for the construction of relevant hydraulic tunnels.

Keywords： shallow tunnel; hydraulic tunnel; numerical simulation; support scheme; optimization

随着我国城镇化和工业化进程的快速推进，浅埋水工隧道的建设需求越来越大，对其展开研究具有重要的现实意义和战略意义。早期国内已有学者对隧道相关理论及现场实践等方面进行研究，在隧道施工方法[1-2]、稳定性方面[3]等研究均取得一定成果。随着计算机的发展，数值模拟被运用于隧道研究中[4-6]，大大提高了相关研究的深度与精度。截至今日，我国有关隧道的研究已取得较大成果，但针对水工隧道的研究较少，缺乏系统性的研究和规划，较难满足工程建设发展需要。

本文以信阳市某浅埋水工隧道项目为例，利用Flac3d数值模拟软件对其水工隧道的支护方案进行研究，通过多工况下的数值模拟和综合评价分析，确定安全稳定性和经济效益综合优越的支护施工方案，旨在为水工隧道施工建设提供参考。

1" 模型设置

1.1" 工程概况

隧道洞身段围岩类别以Ⅰ类、Ⅳ类为主，少量为Ⅴ类，洞身段Ⅱ类围岩约占70.13%，Ⅰ类围岩约占2.02%，Ⅳ类围岩约占26.10%，Ⅴ类围岩约占1.75%。

1.2" 模型创建

采用 FLAC3D 软件进行建模，截取隧道中经过Ⅴ级围岩和断层破碎带等特殊地层的地段进行隧道支护研究，研究区域隧道埋深约为18～20 m，隧道宽6.1 m，高6.045 m，其围岩主要以花岗岩为主，隧道所穿岩层为强风化花岗岩。根据以往的隧道力学资料，基于应尽量减少“边界效应”影响的原则，模型边界横向上一般取隧道中心到左右边界的距离约3～5倍洞径，而模型下边界到洞底的距离为2～3倍洞径，即建模时横向以隧道中线位置向两侧各取25 m、竖向取仰拱底部以下30 m、竖向上边界为地表，沿隧道纵向取30 m。网格基本为1.5 m×1.5 m×1.5 m的六面体网格，隧道附近加密处理，隧道模型共包括实体单元42 238个，节点33 461个，创建模型如图1所示。

岩层参数由实测值取得，见表1。

1.3" 设计工况

为研究不同支护方案对隧道围岩稳定性的影响，拟定4种工况进行对比分析，工况1为不施加支护方案；工况2支护参数较施工支护方案更加轻便；工况3为施工支护方案；工况4支护参数较施工支护方案更加保守。

根据施工方案和SL 27—2016《水工隧洞设计规范》，隧道支护设计方案为初期支护在拱顶位置设水泥砂浆锚杆和进行喷射混凝土。以下为各工况的支护参数和计算参数，见表2和表3。

对于不同支护工况的隧道，通过隧道位移、支护锚杆所受应力、喷混的位移来进行分析，进而优选合理的支护工法。

2" 结果分析

2.1" 不同材料参数位移

通过软件模拟，可以得到4种工况对应的位移云图（图2）。

由图2可知，工况1隧道位移最大处在拱顶位置，位移随拱顶位置向两侧减小，隧道侧壁和拱脚位置为水平变形位移。由于隧道埋深较浅且开挖洞径较大，隧道拱顶上方地表发生竖向位移，两侧也有水平位移。工况2、工况3和工况4为不同支护参数下围岩位移情况，工况2位移最大位置依旧在拱顶位置，水平位移最大在侧壁位置；工况3、4位移拱较小，不同工况下位移对比见表4。

由模拟结果可知，工况1模拟结果可以得出每段隧道开挖后围岩位移较大，围岩无法自稳，需要进行支护。工况3和工况4相较于文献[7]所得结果接近，支护是围岩稳定性的关键因素，支护参数优选应以支护结构不变为前提，选用不同材料参数进行模拟比较，选出最佳方案。工况2所用支护材料约束作用过小，工况3、4约束作用达到预期效果，适合工程开挖支护。

综上，隧道开挖需要对围岩进行必要的支护措施，并且对于实际工程要选择更加经济实用的支护方案，所以工况3所用材料适合隧道开挖支护。

2.2" 锚杆应力分析

由于工况1无支护措施，故仅对工况2、3、4进行分析比较，以工况2为例，锚杆应力如图3所示。

由图3可知，该工况下锚杆受力分布规律为：单根锚杆受力两端小中间大，整体则是隧道两端锚杆受力较中间锚杆受力大，锚杆最大受力为50 MPa。工况3、4锚杆受力分布规律与工况2相同，其中，工况3最大受力为22.2 MPa，工况4最大受力为15.7 MPa，除工况2外都没有超过文献[7]中23 MPa的锚杆受力安全范围。

从数值中能看出工况2锚杆所受应力过大，超过锚杆极限应力范围；工况3和工况4锚杆应力较工况2有极大改善，并且根据文献[7]可得工况3、4中锚杆所受应力未超过锚杆极限应力范围。根据实际工程的经济实用需求，更适合选用工况3。

2.3" 隧道喷混位移分析

由于工况1无支护措施，故仅对工况2、3、4进行分析比较，以工况2为例，喷混位移如图4所示。

由图4可知，工况2位移主要发生在拱顶、拱脚和侧壁位置，其中，拱顶主要为竖向位移，拱脚部位由于应力集中，竖向和水平位移皆有，侧壁主要为水平位移，工况3、4位移规律与工况2相同，各工况隧洞位移总结见表5，与文献[7]结果相比，各工况模拟结果均在安全范围内，符合实际工程的现状。

由表5可知，工况2位移最大，其变形位移对隧道的安全性造成影响，无法满足实际工程的需求。工况3、4满足工程安全需求，且位移相接近，考虑经济实用性，工况3所用材料适用于实际工程需要。

2.4" 合理性分析

通过隧道施工监测数据与数值模拟结果进行对比分析，验证数值模拟结果的合理性，通过不同隧道段所处地层和断面类型，设置典型剖面位移监测布置图（图5）。

多点位移计通过靠近隧道一侧为测点1依次布置到测点4进行监测围岩位移，通过监测数据与数值模拟结果进行比较，结果见表6。

由表6可知，数值模拟隧道围岩变形位移结果与现场施工监测数据结果总体上误差小于10%，且误差率随离隧道的距离增大而增大，这是由于围岩距离隧道越远变形越小，而多点位移计监测数据存在人工放置和仪器本身的客观误差等影响因素，导致其在变形较大区域的监测结果会更为准确。通过监测数据和模拟结果对比分析，验证了数值模拟方法的可行性，可为现场施工提供参考。

3" 结论

本文通过对隧道支护措施采用不同的材料参数，分为4种工况，通过4种工况模拟结果和参考文献提供的数据进行对比分析支护结构对隧道围岩变形的影响，并优选出最佳支护方案。总结出以下结论。

①由隧道位移分析可知，工况1隧道无法自稳，需通过支护结构限制围岩变形。工况2支护无法满足要求，工况3、4所用支护能够达到围岩稳定的效果，根据实际工程的经济实用需求，选用工况3较为合适。②由锚杆应力分析可知，各工况下锚杆应力均体现为两端小，中间大的情况，且两端大多为压应力，中间为拉应力。比较文献[7]可知工况2锚杆应力超过极限应力，工况3、4锚杆应力在极限应力范围内，根据实际工程的经济实用需求，选用工况3较为合适。③由喷混位移分析可知，主要位移均在拱顶、拱脚和侧壁位置。比较文献[7]，工况2位移较大，会对隧道围岩安全造成影响，工况3、4位移均满足工程安全需求，且位移程度相似，根据实际工程的经济实用需求，选用工况3较为合适。④通过数值模拟与现场施工监测数据结果对比，可知两者误差小于10%，验证了数值模拟方法的可行性。

通过上述总结分析，在支护结构参数的对比中，工况3所使用材料更符合实际工程的需求，结果可以为水工隧道施工建设提供参考。

参考文献：

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作者简介：罗飞（1998-），男，硕士研究生。研究方向为水利水电工程。