軟弱堆積體隧道注漿范圍與鎖腳錨桿研究

潘文韜

【摘 要】?隧道穿越軟弱堆積體會(huì)造成開(kāi)裂掉塊等現(xiàn)象因而有必要對(duì)軟弱堆積體隧道展開(kāi)研究。文章通過(guò)建立三維軟弱堆積體-隧道模型，針對(duì)軟弱堆積體隧道受力變形特征確定其合適經(jīng)濟(jì)的注漿范圍，并對(duì)鎖腳錨桿在堆積體隧道中的作用展開(kāi)研究，相關(guān)結(jié)論如下：圍巖變形與塑性區(qū)分布主要集中在軟弱堆積體中，拱底處隆起，左右拱肩處產(chǎn)生較大沉降并向上傳播至地表，開(kāi)挖過(guò)程的拱頂沉降遠(yuǎn)大于施工結(jié)束時(shí);針對(duì)軟弱堆積體隧道的合理注漿范圍為6m，繼續(xù)擴(kuò)大注漿范圍在犧牲經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)將造成拱頂沉降、拱底隆起以及圍巖壓應(yīng)力的反彈;鎖腳錨桿能抑制軟弱堆積體隧道拱頂沉降及周邊收斂。

【關(guān)鍵詞】堆積體隧道; 數(shù)值模擬; 注漿范圍; 鎖腳錨桿

山嶺隧道的建設(shè)將成為西部山區(qū)間溝通的紐帶。目前我國(guó)西部正加速交通隧道的建設(shè)[1]，但在山嶺隧道洞口段，由于斷層、破碎帶等的作用，會(huì)產(chǎn)生土質(zhì)松散的堆積體，而將隧道直接穿越軟弱堆積體會(huì)造成隧道變形大，漏頂，塌腔掉塊等現(xiàn)象。因而有必要對(duì)隧道在洞口段穿越軟弱堆積體展開(kāi)研究，根據(jù)軟弱堆積體隧道受力變形特征針對(duì)性的確定注漿范圍以及增設(shè)鎖腳錨桿。

在軟弱堆積體隧道受力變形特征研究方面，嚴(yán)健[2]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)提出水平方向圍巖成分是影響堆積體隧道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形的主要因素;昝文博[3]通過(guò)有限元分析了堆積體隧道圍巖支護(hù)體系隨掌子面開(kāi)挖的動(dòng)態(tài)過(guò)程;謝亦朋[4]建立考慮抗拉強(qiáng)度與接觸面單元的細(xì)觀堆積體地層隧道來(lái)探究圍巖變形破壞失穩(wěn)過(guò)程。

在注漿范圍與鎖腳錨桿研究方面，汪煜烽[5]利用有限元軟件模擬了不同注漿工況下的滲水機(jī)理，得出穿越斷層破碎帶的最優(yōu)注漿參數(shù)與范圍;王聰[6]通過(guò)滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合模型對(duì)富水隧道帷幕注漿范圍進(jìn)行比選;羅彥斌[7]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)鎖腳錨桿受力較大因而發(fā)揮較大作用，其錨固效果卻因長(zhǎng)度與角度限制而不能充分發(fā)揮;宋秉元[8]通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)適當(dāng)長(zhǎng)度與傾角的鎖腳錨桿能抑制圍巖變位，充分發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力。

針對(duì)軟弱堆積體隧道變形受力特征及注漿范圍、鎖腳錨桿均有相應(yīng)的研究，但注漿范圍以及鎖腳錨桿的研究均未針對(duì)軟弱堆積體隧道，未根據(jù)軟弱堆積體隧道提出合適的注漿范圍、探明鎖腳錨桿的作用。有鑒于此，本文根據(jù)數(shù)值模擬，建立三維軟弱堆積體模型，在其受力變形基礎(chǔ)上，研究針對(duì)軟弱堆積體的合理注漿范圍及鎖腳錨桿在軟弱堆積體中的作用，為隧道在軟弱堆積體的施工設(shè)計(jì)提供參考。

1 軟弱堆積體隧道模型

數(shù)值計(jì)算模型的幾何尺寸為84 m×75 m×50 m，在模型四周以及模型底部施加垂直約束。隧道處于軟弱堆積體中，軟弱堆積體與巖體的參數(shù)見(jiàn)表1，軟弱堆積體與巖體的分界線在隧道拱底3 m的位置。

初支采用錨噴聯(lián)合支護(hù)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，厚度為0.20 m;錨桿在縱向錯(cuò)排，長(zhǎng)3 m，環(huán)向間距為1.1 m、縱向間距為1 m;二次襯砌采用強(qiáng)度等級(jí)C30的模筑鋼筋混凝土，厚度為0.6 m。數(shù)值模型中初期支護(hù)用shell單元，圍巖、加固區(qū)、二次襯砌均是實(shí)體單元，錨桿、管棚、小導(dǎo)管通過(guò)Cable單元來(lái)模擬。注漿加固通過(guò)提升相應(yīng)區(qū)域內(nèi)圍巖的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬，圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)符合mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則以及彈塑性體基本假設(shè)。

本次模型見(jiàn)圖1，數(shù)值模擬時(shí)施工工法采用CD法（圖2），掌子面開(kāi)挖2 m后施作初支，回填在仰拱初支施作后9 m進(jìn)行，二襯在回填后10 m施作，臨時(shí)支護(hù)的拆除長(zhǎng)度為5 m。

超前預(yù)加固采用帷幕注漿+大管棚聯(lián)合加固方案[9-11]，初定帷幕注漿的范圍為隧道左、右上側(cè)各5 m，隧道下方3 m的矩形區(qū)域（圖3），采用環(huán)距為40 cm、外插角為5°、縱向長(zhǎng)度26 m、搭接長(zhǎng)度3 m的108 mm大管棚。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 軟弱堆積體隧道受力變形特征

2.1.1 圍巖變形

圍巖水平、豎向變形見(jiàn)圖4、圖5。受施工工法影響，圍巖水平位移存在一定非對(duì)稱現(xiàn)象，最大水平位移出現(xiàn)在拱腰處。由于隧道處于軟弱堆積體中，軟弱堆積體下部為巖體，巖體產(chǎn)生變形較小，圍巖變形主要集中在軟弱堆積體中，拱底處隆起，左右拱肩處產(chǎn)生較大沉降，并向上傳播，在隧道上部及地表一定范圍內(nèi)產(chǎn)生沉降變形。

2.1.2 二襯應(yīng)力

二襯的應(yīng)力狀態(tài)常作為判斷隧道穩(wěn)定的依據(jù)。提取二襯的最大最小主應(yīng)力見(jiàn)圖6、圖7。從結(jié)果中看出，壓應(yīng)力主要集中于拱頂，而在拱腳以及拱腰位置會(huì)存拉應(yīng)力，因而在施工過(guò)程中可能會(huì)造成邊墻的開(kāi)裂變形，需加強(qiáng)防護(hù)。

2.1.3 塑性區(qū)分布

隧道施工結(jié)束后周邊圍巖的塑性區(qū)見(jiàn)圖8，從塑性區(qū)分布可看出，在隧道拱頂上方及拱底下側(cè)塑性區(qū)較廣泛，隧道兩側(cè)塑性區(qū)較少。隧道拱腰處及拱底少量部位存在過(guò)張量剪切破壞的塑性區(qū)。軟弱堆積體下側(cè)的巖體較為堅(jiān)硬基本不存在塑性區(qū)，而軟弱堆積體處存在較為廣泛的塑性區(qū)。

2.2 帷幕注漿范圍研究

合適的帷幕注漿范圍可以在控制圍巖變形的同時(shí)達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)性，因而有必要針對(duì)軟弱堆積體確定其合理注漿范圍。設(shè)置三組不同注漿范圍方案見(jiàn)表2，每組下側(cè)注漿范圍均為3 m。

提取不同注漿范圍方案的拱頂沉降（圖9）、拱底隆起（圖10）、右上拱腰收斂（圖11）、右下拱腰收斂（圖12）。

提取不同注漿范圍方案的圍巖變形應(yīng)力、初支二襯應(yīng)力、錨桿管棚受力變形匯總見(jiàn)表3。綜合圖9～圖12以及表3結(jié)果可得：

（1）拱頂沉降出現(xiàn)回彈，施工結(jié)束后的拱頂沉降數(shù)值遠(yuǎn)小于開(kāi)挖過(guò)程的拱頂沉降，在施工過(guò)程中需引起注意;上側(cè)拱腰收斂數(shù)值要大于下側(cè)拱腰并且拱腰處的水平收斂數(shù)值較拱頂拱底處豎向位移要大得多。

（2）帷幕注漿范圍擴(kuò)大能較為顯著減小圍巖水平位移與拉應(yīng)力、初支二襯應(yīng)力、錨桿管棚受力變形與隧道周邊收斂，但注漿范圍擴(kuò)大1 m到2 m的過(guò)程中提升效果減慢。

（3）注漿范圍加寬2 m相比1 m拱頂沉降與拱底隆起不減反增，圍巖壓應(yīng)力也出現(xiàn)反彈，在增大注漿范圍犧牲經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)未能達(dá)到較大效果，因而帷幕注漿范圍不能無(wú)限增大，堆積體隧道模型最終采用下側(cè)注漿范圍為3 m，左、右上側(cè)注漿范圍為6 m，為堆積體隧道注漿范圍的選擇提供參考。

2.3 鎖腳錨桿效果研究

考慮到軟弱堆積體隧道周邊收斂較大，圍巖變形較難控制，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的錨桿體系進(jìn)行優(yōu)化，增設(shè)鎖腳錨桿，鎖腳錨桿采用直徑為70 mm的鋼花管，長(zhǎng)度為3 m，在CD法中臺(tái)階及回填土左右各設(shè)置兩根鎖腳錨桿，兩根錨桿的傾角分別為15°和30°。錨桿設(shè)置如圖13所示。

提取是否設(shè)置鎖腳錨桿時(shí)的拱頂沉降（圖14）、拱底隆起（圖15）、右上拱腰收斂（圖16）、右下拱腰收斂（圖17）。

提取是否增設(shè)鎖腳錨桿時(shí)的圍巖變形應(yīng)力、初支二襯應(yīng)力、錨桿管棚受力變形匯總見(jiàn)表4。

綜合圖14～圖17以及表4結(jié)果可得：增設(shè)鎖腳錨桿后，除圍巖壓應(yīng)力外，對(duì)圍巖變形、圍巖拉應(yīng)力、初支二襯應(yīng)力以及錨桿管棚受力變形均有可觀的改善，其中對(duì)圍巖水平位移、初支拉應(yīng)力、錨桿應(yīng)力改善效果明顯。同時(shí)增設(shè)鎖腳錨桿是期望能有限控制圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，特別是收斂情況，而從曲線圖中可以看出，增設(shè)鎖腳錨桿對(duì)拱頂沉降、周邊收斂有可觀的改善，考慮到鎖腳錨桿成本相對(duì)不高，因而在軟弱堆積體中增設(shè)鎖腳錨桿具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

3 結(jié)論

本文通過(guò)建立三維軟弱堆積體-隧道模型，研究軟弱堆積體隧道受力變形特征，并針對(duì)堆積體隧道特征確定其合適的帷幕注漿范圍，在有效控制圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形的同時(shí)達(dá)到經(jīng)濟(jì)性最佳，最后對(duì)鎖腳錨桿在軟弱堆積體隧道中的作用進(jìn)行了研究，相關(guān)結(jié)論如下：

（1）圍巖變形與塑性區(qū)分布主要集中在軟弱堆積體中，拱底處隆起，左右拱肩處產(chǎn)生較大沉降，并向上傳播至地表，塑性區(qū)主要集中于隧道上下位置。壓應(yīng)力主要集中于拱頂，而在拱腳以及拱腰位置會(huì)存在拉應(yīng)力。

（2）開(kāi)挖過(guò)程的拱頂沉降要遠(yuǎn)大于施工結(jié)束時(shí)，上側(cè)拱腰收斂要大于下側(cè)拱腰并且拱腰處的水平收斂較拱頂拱底處豎向位移要大得多。

（3）注漿范圍的擴(kuò)大能有效控制軟弱堆積體隧道受力變形，針對(duì)軟弱堆積體隧道的合理注漿范圍為6 m，繼續(xù)擴(kuò)大注漿范圍在犧牲經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)將造成拱頂沉降、拱底隆起以及圍巖壓應(yīng)力的反彈。

（4）在各臺(tái)階處增設(shè)鎖腳錨桿可以有效控制軟弱堆積體的拱頂沉降與周邊收斂，并對(duì)圍巖水平位移、初支拉應(yīng)力、錨桿應(yīng)力也有較大程度改善。

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