軟巖隧道掌子面玻璃纖維錨桿加固參數(shù)研究

崔柔柔，楊其新，蔣雅君

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，土木工程學(xué)院，成都 610031)

軟巖隧道掌子面玻璃纖維錨桿加固參數(shù)研究

崔柔柔，楊其新，蔣雅君

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，土木工程學(xué)院，成都 610031)

新意法的核心思想是通過調(diào)節(jié)超前核心土的強(qiáng)度和剛度來控制圍巖變形。通過數(shù)值計算方法模擬掌子面玻璃纖維錨桿加固參數(shù)(加固長度、搭接長度、加固范圍)在軟巖隧道變形中的作用，得出軟巖隧道的變形規(guī)律。結(jié)果表明：(1)加固超前核心土能有效控制隧道變形；(2)根據(jù)隧道預(yù)收斂變形可以確定錨桿長度，根據(jù)掌子面失穩(wěn)機(jī)理和破裂面的深度可以確定錨桿最小搭接長度；(3)在隧道變形允許情況下，可以對掌子面加固范圍進(jìn)行優(yōu)化，僅加固掌子面中心部位。

軟巖隧道；新意法；超前加固；數(shù)值模擬；玻璃纖維錨桿；加固參數(shù)

1 概述

巖土控制變形分析法(ADECO-RS)是意大利人Pietro Lunardi在研究圍巖變形反應(yīng)和總結(jié)新奧法的基礎(chǔ)上提出的新工法，亦稱為“新意法”。它包括旋噴注漿圍巖改良加固技術(shù)、全斷面機(jī)械預(yù)切槽技術(shù)和玻璃纖維結(jié)構(gòu)件加固掌子面技術(shù)等工法[1]。新意法強(qiáng)調(diào)機(jī)械化的全斷面開挖，新意法在過去十多年內(nèi)廣泛應(yīng)用于意大利的公路和鐵路領(lǐng)域，并已納入意大利的隧道設(shè)計和施工規(guī)范。

王正松介紹了新意法以控制工作面超前核心圍巖變形為手段的主要理念、施工原則，對比了新奧法與新意法的不同[2]；翟進(jìn)營介紹了新意法在國外應(yīng)用的情況，為“新意法”在我國的推廣應(yīng)用提供參考[3]；李斌根據(jù)新意法基本理念提出錨桿加固參數(shù)的確定方法[4]；曠文濤結(jié)合武廣客運專線瀏陽河隧道施工，通過數(shù)值模擬試驗方案，得到各級圍巖下淺埋大斷面隧道施工參數(shù)建議[5]；關(guān)巖鵬結(jié)合桃樹坪大斷面軟巖隧道工程，通過數(shù)值模型模擬得出大斷面軟巖隧道施工中合理的新意法施工加固參數(shù)[6]；趙錄學(xué)針對新意法的特點，就復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道選線、襯砌支護(hù)參數(shù)的選定及施工方案提出了具體建議[7]；彭峰根據(jù)工程實踐，介紹了桃樹坪隧道的工程概況、地質(zhì)問題、施工工藝、施工設(shè)備及超前核心土加固控制變形技術(shù)的應(yīng)用效果[8]。趙勇介紹了玻璃纖維錨桿預(yù)加固在瀏陽河隧道中的應(yīng)用[9]。陳亮根據(jù)錦屏引水隧洞工程，確定了加固掌子面是保證全斷面開挖的關(guān)鍵條件[10]。這些研究都為新意法在我國的推廣應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

目前新意法在我國已應(yīng)用于桃樹坪隧道、臥龍隧道、瀏陽河隧道。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，將會修建越來越多的穿越復(fù)雜軟弱地層的隧道，因此研究新意法在軟巖隧道中的應(yīng)用，具有很大的工程意義。

本文擬通過采用玻璃纖維錨桿加固掌子面超前核心土來研究掌子面加固在控制軟巖隧道變形中的作用，得出掌子面加固錨桿長度、搭接長度和掌子面錨桿加固范圍對于超前核心土加固效果的影響規(guī)律。

2 新意法的基本理論

新意法認(rèn)為隧道變形類型與隧道不穩(wěn)定表現(xiàn)形式如圖1所示[1]。新意法認(rèn)為隧道掘進(jìn)過程中整個應(yīng)力-應(yīng)變過程(擠出變形、預(yù)收斂和收斂)的真正起因是超前核心土的變形。因此為完全控制圍巖的變形必須采取以下措施：

(1)在掌子面前方采用合適的預(yù)約束措施以調(diào)整超前核心土的強(qiáng)度；

(2)在掌子面后方緊跟隧道支護(hù)措施，提供連續(xù)的洞室約束力，以控制超前核心土的擠出。

圖1 隧道變形類型與隧道不穩(wěn)定的表現(xiàn)形式

3 工程背景和數(shù)值模擬模型

3.1 工程背景

某鐵路隧道開挖洞寬11.3 m，開挖高度11.9 m，隧道斷面積104.2 m2，隧道處于新老黃土交界處，即拱腳以上為新黃土，拱腳以下為老黃土，具體土層參數(shù)如表1所示。根據(jù)以往黃土隧道工程可知，隧道拱頂沉降和掌子面擠出量較大，為了有效控制隧道結(jié)構(gòu)與土體變形[11，14]，本工程擬采用預(yù)切槽超前支護(hù)和玻璃纖維錨桿加固掌子面超前核心土，以便進(jìn)行全斷面開挖。

預(yù)切槽縱向長度為4 m，灌注長度3.5 m，搭接0.5 m，縱向仰角7°，預(yù)切槽厚度為20 cm，預(yù)切槽如圖2所示，預(yù)切槽設(shè)置范圍為拱墻范圍內(nèi)。初支鋼拱架采用H150型鋼間距為0.8 m。拱墻范圍內(nèi)初支平均厚度為28 cm，仰拱范圍內(nèi)初支厚度為22 cm，二襯厚度50 cm。

表1 土層參數(shù)

圖2 預(yù)切槽切槽深度與搭接示意(單位：cm)

掌子面前方超前核心土加固采用40 cm全粘結(jié)型玻璃纖維錨桿加固，玻璃纖維錨桿在掌子面采用間距為2 m×2 m的梅花形布置，加固后土層黏聚力提高26.5%，摩擦角提高66.9%，單軸抗壓強(qiáng)度提高13%，抗剪強(qiáng)度提高147%，彈性模型提高25%[12，13]。

3.2 計算模型

隧道埋深為40 m，隧道模型大小為x方向(寬度)100 m，y方向(長度)60 m，z方向(高度)80 m，共192 000個單元，202 675個節(jié)點，隧道模型采用位移邊界作為邊界條件，計算模型如圖3所示。

圖3 隧道模型

在進(jìn)行數(shù)值模擬時做以下假定：(1)假定圍巖為均質(zhì)連續(xù)體，其物理力學(xué)行為服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；(2)忽略地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力，用自重應(yīng)力來模擬初始應(yīng)力場；(3)不考慮地下水的影響；(4)根據(jù)剛度等效原則將預(yù)切槽等效為混凝土開口圓筒來考慮，沿隧道縱向全長分布。

4 掌子面加固參數(shù)分析

4.1 玻璃纖維錨桿長度

為了研究掌子面超前核心土加固長度即玻璃纖維錨桿長度在隧道開挖過程中對圍巖與隧道變形的控制作用，本節(jié)對比了玻璃纖維錨桿長度為0、7、10.5、14、17.5 m五種工況下計算結(jié)果，如表2所示。玻璃纖維錨桿搭接長度均為3.5 m，玻璃纖維錨桿在掌子面采用間距為2 m×2 m的梅花形布置。

表2 隧道變形計算結(jié)果

注：距離掌子面距離為負(fù)表示距離掌子面前方還未開挖的距離；若為正值表示距離掌子面后方已開挖的距離。

通過表2可知，隧道在不加固掌子面超前核心土?xí)r，隧道拱頂預(yù)收斂變形最大為54.5 mm，最大拱頂沉降為79.8 mm，并且隧道預(yù)收斂變形影響范圍在15 m左右，即1.26倍洞徑左右，符合軟弱圍巖預(yù)收斂變形在1～1.5倍洞徑的普遍規(guī)律。隧道變形量主要由于隧道預(yù)收斂變形引起。

通過玻璃纖維錨桿加固掌子面后，隧道拱頂沉降量有明顯減小，當(dāng)錨桿長度為7、10.5、14、17.5 m時，隧道拱頂最大沉降分別為35.5、27.9、21.8、20.2 mm，相比不加固掌子面時分別減少了44.3、51.9、58、59.6 mm；其最大掌子面擠出量分別為102.4、87.0、82.7、82.3 mm，較不加固掌子面時的270.4 mm分別減少了62.1%、67.8%、69.4%、69.5%。所以隨著錨桿長度增加，隧道拱頂沉降與掌子面擠出量不斷減小。但在隧道掌子面前方15 m處隧道預(yù)收斂變形已經(jīng)為0，此時增加錨桿長度對于隧道變形控制效果不明顯，所以在錨桿長度為隧道預(yù)收斂變形影響范圍時，掌子面加固能夠得到充分利用，經(jīng)濟(jì)效益最好。因此在本工程中采用玻璃纖維錨桿長度為14 m較為合理。

通過玻璃纖維錨桿加固超前核心土，不僅可以通過錨桿使超前核心土連為整體，而且通過注漿直接提高超前核心土物理力學(xué)參數(shù)，對于隧道變形與掌子面擠出變形控制效果最直接、有效。因此在軟弱圍巖施工中要重視掌子面超前核心土加固的作用，采取合適的加固措施，達(dá)到控制隧道變形的效果。

4.2 玻璃纖維錨桿搭接長度

玻璃纖維錨桿搭接長度決定了掌子面最危險狀態(tài)。本節(jié)考慮玻璃纖維錨桿搭接長度取0、3.5、7、10.5 m四種工況，計算結(jié)果如表3所示。此時玻璃纖維錨桿長度均為14 m，玻璃纖維錨桿在掌子面采用間距為2 m×2 m的梅花形布置。

表3 隧道變形計算結(jié)果

從表3可知，在保持錨桿長度固定為14 m時，錨桿搭接長度分別0、3.5、7、10.5 m時隧道拱頂下沉、地表最大下沉和掌子面最大擠出量依次減小。當(dāng)錨桿搭接長度為0 m時，隧道處于最危險狀態(tài)，此時與前節(jié)不加固掌子面超前核心土工況類似，隧道變形量均較大，不能起到控制隧道變形的目的。

所以存在一個最小錨桿搭接長度。隧道在開挖之后，掌子面處于臨空狀態(tài)，其穩(wěn)定性機(jī)理與邊坡穩(wěn)定是相似的，隧道因開挖引起的掌子面上方松散土體將全部作用在隧道掌子面上。隧道掌子面上方受到松弛荷載q的作用，如圖4所示[4]。

圖4 掌子面失穩(wěn)機(jī)理

通過計算最小搭接長度為

(1)

因此應(yīng)保證錨桿最小搭接長度不小于3 m。通過表3可知，隨著錨桿搭接長度增大，隧道拱頂最大沉降值減少明顯，但掌子面擠出量減小較小。所以本工程采用3.5 m的錨桿搭接長度可以滿足掌子面穩(wěn)定性的要求。

4.3 掌子面玻璃纖維錨桿加固范圍

由于掌子面擠出最大的地方一般發(fā)生在掌子面中心部位，而隧道輪廓線周圍掌子面擠出量很小，所以對于掌子面玻璃纖維錨桿加固范圍可以進(jìn)行優(yōu)化，一方面可以減少施工步驟，增加施工速度，另一方面可以降低施工成本。

為了研究掌子面加固范圍對于核心土加固效果的影響，本節(jié)對比了掌子面全斷面加固、加固范圍1、加固范圍2、不加固掌子面四種工況。加固范圍1為只對掌子面中心直徑8 m范圍內(nèi)加固如圖5所示，加固范圍2為掌子面中心直徑4 m范圍內(nèi)加固如圖6所示，粗線代表隧道輪廓線，細(xì)線以內(nèi)代表掌子面加固范圍。掌子面加固所用玻璃纖維錨桿長度為14 m、搭接長度為3.5 m，錨桿在加固范圍內(nèi)采用間距為2 m×2 m的梅花形布置。計算結(jié)果見表4。

圖5 加固范圍1(單位：m)

圖6 加固范圍2(單位：m)

由表4可知，隨著掌子面加固范圍減少，隧道拱頂沉降、地表沉降、掌子面擠出量不斷增加，加固掌子面中心部位對于控制掌子面擠出效果最明顯。由于掌子面加固措施是臨時的，所以在對隧道拱頂沉降和地表沉降要求不高的地區(qū)可以只加固掌子面中心部位，但對于控制地表變形和掌子面擠出要求高的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先采取全斷面加固掌子面。

表4 隧道變形計算結(jié)果

5 結(jié)論與建議

(1)在軟巖隧道開挖過程中應(yīng)重視隧道預(yù)收斂變形對于隧道穩(wěn)定性的影響，應(yīng)重視掌子面加固對控制隧道變形的重要作用，僅通過超前支護(hù)很難達(dá)到控制隧道變形與掌子面穩(wěn)定的目的，必須通過掌子面加固來提高超前核心土物理力學(xué)參數(shù)，增加掌子面穩(wěn)定性。

(2)軟弱圍巖預(yù)收斂變形范圍一般長度處于1～1.5倍洞徑，因此掌子面超前核心土加固長度應(yīng)不小于隧道超前核心土預(yù)收斂變形長度，這樣才能達(dá)到控制隧道預(yù)收斂變形的目的。

(3)掌子面加固搭接長度是控制隧道掌子面穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，應(yīng)滿足最小搭接長度的要求，錨桿的搭接長度可以按照超前核心土破裂面的深度確定。

(4)在對隧道變形與地表沉降要求不高的地區(qū)，可以只針對隧道掌子面中心部位加固。

(5)本文未對注漿效果進(jìn)行研究，對于軟弱圍巖中超前核心土注漿效果值得進(jìn)一步研究。

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Study on Reinforcement Parameters of Fiber Glass Anchor Bar at Soft-rock Tunnel Face

CUI Rou-rou， YANG Qi-xin， JIANG Ya-jun

(Key Laboratory of Tunnel Engineering， Ministry of Education， School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

The core idea of ADECO-RS is that the deformation of rock mass is controlled by adjusting the core soil strength and stiffness. The function of face reinforcement parameters (the reinforcing length， the lap length and reinforcing region) on the deformation of soft-rock tunnel by numerical simulation is employed to find out the deformation rule of soft-rock tunnel. The results show that (1) the reinforcement of the core rock at tunnel face has significant effect on the tunnel deformation response;(2) the reinforcing length of the anchor bar is defined by the pre-convergence of tunnel， the lap length of the anchor bar is defined by the instability mechanism of the tunnel face and the depth of the breaking cross-section; (3)the reinforcing region of the anchor bar at the tunnel face can be optimized and only the center of the tunnel face is reinforced once allowable tunnel deformation is maintained.

Soft-rock tunnel; ADECO-RS approach; Advanced reinforcement; Numerical simulation; Fiber glass anchor bar; Reinforcement parameter

2015-03-21；

2015-04-12

崔柔柔(1988—)，男，碩士研究生，E-mail：1035172571@qq.com。

1004-2954(2015)11-0079-04

U455

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.019