節(jié)理發(fā)育巖體隧道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

游 貴 良

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

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節(jié)理發(fā)育巖體隧道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

游 貴 良

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

結(jié)合內(nèi)蒙古窯溝隧道，通過UDEC離散元軟件數(shù)值模擬手段研究錨桿環(huán)向布置范圍、間距對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形與穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而將錨桿原設(shè)計(jì)參數(shù)——環(huán)向布置范圍216°、間距1.0m優(yōu)化為環(huán)向布置范圍90°、間距1.0m，并證明了其合理性，對(duì)類似工程具有一定的參考價(jià)值。

節(jié)理，系統(tǒng)錨桿，參數(shù)優(yōu)化，離散元軟件

0 引言

節(jié)理的存在，使得巖體被分割成不連續(xù)介質(zhì)，因而往往成為影響隧道圍巖穩(wěn)定性的決定性因素[1-]4〗。錨桿支護(hù)作為公路隧道中支護(hù)方式的重要組成部分，它和噴射混凝土一起構(gòu)成柔性支護(hù)，從而約束圍巖變位，并與圍巖共同形成支承環(huán)結(jié)構(gòu)，因而在初期支護(hù)中起著重要的作用。然而，當(dāng)前依然存在著錨桿支護(hù)參數(shù)選取不盡合理，錨桿作用未能充分發(fā)揮而造成支護(hù)材料浪費(fèi)和支護(hù)成本增加的現(xiàn)象。因此，有必要對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

本文依托內(nèi)蒙古窯溝隧道，針對(duì)近水平層理和豎向節(jié)理發(fā)育的典型地層，將巖體視為非連續(xù)介質(zhì)，在參照規(guī)范和以往工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用UDEC離散元軟件建立二維計(jì)算模型，通過改變錨桿環(huán)向布置范圍、環(huán)向間距、徑向長(zhǎng)度，計(jì)算結(jié)構(gòu)變形量，研究錨桿參數(shù)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形與穩(wěn)定性的影響規(guī)律，進(jìn)而提出錨桿支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化方案，為后續(xù)施工與支護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，并為類似工程提供一定參考價(jià)值。

1 工程概況及參數(shù)選取

1)依托工程。

本文依托工程為榮烏高速十七溝至大飯鋪段窯溝隧道出口段ZK54+510～ZK54+370區(qū)段，該區(qū)段以灰?guī)r為主，具硬質(zhì)巖特性，屬Ⅴ級(jí)圍巖；存在近水平層理和豎向節(jié)理，部分有充填物，呈剪性。出口段埋深約為22.18m，斷面高9.31m，寬12.62m。運(yùn)用地質(zhì)素描、統(tǒng)計(jì)分析手段對(duì)圍巖節(jié)理特征優(yōu)化描述如表1所示。圖1為斷面ZK54+380的CAD重構(gòu)圖。

表1 優(yōu)化節(jié)理特征參數(shù)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘資料，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，取圍巖的楊氏模量和泊松比分別為3.1GPa和0.32。節(jié)理面力學(xué)參數(shù)參考文獻(xiàn)取值，圍巖和節(jié)理面力學(xué)參數(shù)取值見表2。

2)模型建立。

考慮隧道的邊界影響范圍，地層范圍設(shè)置為：上邊界取至地表，下邊界自洞室中心向下取1.5倍洞高，兩側(cè)自洞室中心向外各取3倍洞寬。節(jié)理模型選取庫侖滑動(dòng)材料模型。

表2 巖體、節(jié)理力學(xué)參數(shù)

3)錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)。

隧道原有錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)為錨桿環(huán)向布置范圍216°，間距1.0m，徑向長(zhǎng)度3.5m。

本文擬對(duì)原有錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，選取錨桿長(zhǎng)度2.0m～4.0m；錨桿環(huán)向間距0.8m～1.5m；錨桿環(huán)向布置范圍60°～180°，呈梅花形布置，研究錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，提出錨桿參數(shù)優(yōu)化方案。

2 錨桿環(huán)向布置范圍

取錨桿環(huán)向布置范圍為60°,90°,120°和180°不等，其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變，進(jìn)行數(shù)值模擬。

計(jì)算得到各工況下圍巖變形云圖，如圖2所示，隧道拱頂上方出現(xiàn)不均勻的沉降，沉降值的大小從0mm到約10mm不等。為了便于統(tǒng)計(jì)分析，依據(jù)圖例將變形區(qū)域按照沉降值的不同加以分類，即將圍巖按照大于8mm，6mm～8mm，4mm～6mm和2mm～4mm的沉降值劃分為A,B,C,D四類。沉降面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，以60°工況為基準(zhǔn)，計(jì)算不同工況下各類沉降區(qū)域面積(沉降大于4mm)與其的比值，并繪制其變化曲線，如圖3所示。

表3 錨桿環(huán)向范圍不同工況下圍巖變形面積統(tǒng)計(jì)表

如圖3所示，錨桿環(huán)向布置范圍增加時(shí)，拱頂沉降值的變化幅度以90°為分水嶺，60°→90°時(shí)，拱頂沉降值大于10mm，圍巖松動(dòng)范圍減幅最大(其中大于8mm沉降區(qū)域減幅約75%)；超過90°時(shí)，拱頂沉降值約為8mm，圍巖松動(dòng)范圍減幅不明顯。

綜合考慮隧道結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備與工程經(jīng)濟(jì)成本，針對(duì)該條件下的地層，施作隧道系統(tǒng)錨桿支護(hù)時(shí)，并非錨桿環(huán)向布置范圍越大越好，該隧道環(huán)向布置范圍取90°左右為宜。

3 錨桿環(huán)向間距

取錨桿環(huán)向布置范圍為90°，錨桿環(huán)向間距取0.8m,1.0m,1.2m和1.5m不等，研究錨桿環(huán)向間距的設(shè)定。

數(shù)值計(jì)算得到不同錨桿環(huán)向間距工況下圍巖變形云圖見圖4，如上一節(jié)所述方法，將圍巖按不同的沉降值劃分為A～D四類。表4為各沉降區(qū)域?qū)?yīng)的統(tǒng)計(jì)面積，以間距1.5m工況數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，計(jì)算不同工況下各類沉降區(qū)域面積與其相對(duì)比值，其變化曲線見圖5。

表4 錨桿環(huán)向間距不同工況下圍巖變形面積統(tǒng)計(jì)表

分析表4及圖5，大于1.2m間距時(shí)，拱頂沉降大于10mm，小于1.2m間距時(shí)，拱頂沉降穩(wěn)定在8mm，變化不大；并且在1.5m→1.2m間距范圍內(nèi)，圍巖松動(dòng)范圍減幅最為明顯，1.2m→1.0m間距范圍內(nèi)的圍巖松動(dòng)范圍減幅其次，當(dāng)錨桿環(huán)向間距小于1.0m時(shí)，圍巖松動(dòng)范圍減小很少，可以認(rèn)為當(dāng)錨桿間距小于1.0m時(shí)，繼續(xù)加密錨桿并不能再明顯地提升對(duì)圍巖的加固效果，未能充分發(fā)揮錨桿的錨固作用，造成支護(hù)材料的浪費(fèi)。綜合考慮隧道結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備與工程經(jīng)濟(jì)成本，建議該隧道錨桿環(huán)向間距取1.0m。

4 結(jié)語

本文通過數(shù)值模擬，針對(duì)具有近水平層理和豎向節(jié)理的隧道，研究了隧道錨桿的環(huán)向布置范圍、環(huán)向間距和錨桿長(zhǎng)度等三種主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)圍巖支護(hù)效果的影響，并對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行合理的優(yōu)化：

1)錨桿環(huán)向布置范圍處于60°～90°區(qū)間時(shí)，隨著錨桿環(huán)向布置范圍的增大，拱頂沉降值與圍巖松動(dòng)范圍快速減小，大于90°時(shí)，隨著錨桿環(huán)向布置范圍增大，圍巖變形區(qū)域和最大沉降值減小并不明顯。所以，建議錨桿環(huán)向布置范圍取值90°；

2)錨桿環(huán)向間距處于1.5m～1.0m區(qū)間時(shí)，隨著錨桿環(huán)向間距的減小，拱頂沉降值與圍巖松動(dòng)范圍均發(fā)生較大幅度的減小，而間距小于1.0m時(shí)，隨著錨桿間距增大，圍巖變形降低并不明顯。所以，建議錨桿環(huán)向間距取值1.0m。

[1]陳國柱，段群苗.節(jié)理特征對(duì)隧道變形影響的數(shù)值模擬研究.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012(sup)：89-93.

[2]李 軍,吳惠卿,王彥杰，等.節(jié)理特征和圍巖支護(hù)對(duì)隧道變形的影響分析.施工技術(shù),2013(3):82-86.

[3]陳國柱.節(jié)理對(duì)隧道變形的影響研究.上海：同濟(jì)大學(xué)，2012.

[4]索超峰，石益東，李 軍.節(jié)理特征對(duì)破碎圍巖穩(wěn)定影響的模型試驗(yàn).公路交通科技，2013，30(4)：83-87.

[5]蔣 坤.節(jié)理巖體中特大斷面小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性研究.上海：同濟(jì)大學(xué)，2010.

Parametersoptimizationofboltingforjointedrocktunnel

YouGuiliang

(Tongji University, Shanghai 200092, China)

RelyingonYaogoutunnelofInnerMongolia,byusingdiscreteelementsoftwareUDEC,tostudyontheeffectofcircumferentialinstallationrangeandcircumferentialspacingoftheboltsondeformationandstabilityofthetunnelstructure,furthertooptimizetheparametersofbolts.Changedthedesignparametersoftheoriginalbolts——circumferentialinstallationrange216°,circumferentialspacing1.0m,tocircumferentialinstallationrange90°,circumferentialspacing1.0m,provedtherationalityandhavingacertainreferencevaluetothesimilarengineering.

joint,systematicbolts,parameteroptimization,discreteelementsoftware

1009-6825(2015)01-0165-03

2014-10-28

游貴良(1987- )，男，在讀碩士

U

A