隧道掌子面玻璃纖維錨桿加固作用效應試驗研究

袁仁愛 漆泰岳

（1 中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054；2 西南交通大學，四川 成都 610031）

1 研究目的

隧道圍巖因開挖影響沿著隧道開挖輪廓線產(chǎn)生應力重分布，而形成“拱部效應”，而應力重分布對隧道施工的影響大小，決定于圍巖特性、環(huán)境地質(zhì)條件、開挖及支護方式等。瀏陽河隧道施工過程中基于加固掌子面及前方一定范圍內(nèi)巖土為理論基礎，注重拱部超前支護與玻璃纖維錨桿掌子面預加固共同支護效果。

2 施工參數(shù)選取及數(shù)值模擬分析

瀏陽河隧道采用玻璃纖維錨桿加固掌子面前方圍巖主要應用于下穿瀏陽河河底等特殊地質(zhì)段落，河底段最大埋深23.8m，平均約20m，穿越強～弱風化泥質(zhì)粉砂巖區(qū)，具微膨脹性，見水易軟化，易掉塊，局部充填石膏線，巖石強度為24.4 ～2.98MPa，屬Ⅴ級圍巖。

2.1 數(shù)值模擬試驗方案

施工時采用臺階法施工，基于正交試驗原理安排試驗方案，因素和水平的選取見下表。

表1 數(shù)值試驗因素方案表

2.2 建立臺階法數(shù)值模型

采用FLAC3D 有限差分數(shù)值模擬分析軟件，模型尺寸為高×寬×深＝50.15m×100m×36m，單元網(wǎng)格數(shù)為49920 個。重點研究二臺階工法下各施工參數(shù)對施工效率及掌子面穩(wěn)定的敏感性。

參照表1的試驗因素表，基于正交試驗原理，選取L9（34），共分9 種工況進行數(shù)值模擬分析研究。參數(shù)選取及模型建立時，對于大、小管棚作用，可采用提高圍巖參數(shù)；采用cable 單元模擬掌子面玻璃纖維錨桿和徑向鋼錨桿；采用實體單元模擬初期支護及二次襯砌作用；鋼拱架作用采用提高噴射混凝土參數(shù)實現(xiàn)。

2.3 最優(yōu)參數(shù)驗證計算

2.3.1 無支護條件隧道開挖穩(wěn)定性分析

淺埋大斷面隧道無支護狀態(tài)開挖后掌子面核心土和拱周圍巖進入塑性狀態(tài)，有可能產(chǎn)生滑動破壞，圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要對掌子面核心土進行加固保護。掌子面縱向位移為48.02mm，拱頂最大豎向位移為70.04mm。

2.3.2 最優(yōu)參數(shù)驗證計算

隧道開挖縱向位移最大值為24.92mm；隨著與工作面距離的增加，超前核心土的擠壓變形迅速降低，5m 范圍內(nèi)從24.9mm 降低為不到5mm；變化范圍與上臺階開挖斷面的半徑一致。從圖1中還可知：掌子面位移總體上呈現(xiàn)出中間大，四周小的趨勢，最大縱向位移出現(xiàn)在開挖中心偏下位置。同時，掌子面塑性區(qū)分布范圍與位移分布是一致的，即位移比較大的圍巖進入了塑性區(qū)，掌子面塑性區(qū)深度5.4m，施工時可根據(jù)實際情況，輔以大管棚支護。豎向位移拱頂最大沉降值31.55mm；圍巖豎向壓力最大為6.67MPa。通過計算施工效率為0.095h/m3。

圖1 圍巖縱向位移剖面圖

3 室內(nèi)模型試驗

為進一步研究隧道掌子面玻璃纖維錨桿加固圍巖應力、位移變化規(guī)律及地表位移變化規(guī)律，驗證選取的施工參數(shù)的合理性，并確定該支護體系的可靠度，研究按相似原理進行模型試驗。

3.1 模型建立

根據(jù)原型尺寸，采用相似比30，室內(nèi)模型尺寸大小為高×寬×深=1.4m×2.5m×0.2m。室內(nèi)研究采用中國礦業(yè)大學國家重點實驗室小應變試驗臺。

據(jù)歷史水位監(jiān)測記錄瀏陽河最高洪水位水深為14m，按最大荷載考慮，室內(nèi)模擬水壓力最大加載深度為0.47m，換算采用235kg 荷載加壓在模擬隧道頂部。

降低血壓有益于延遲腎病的進展,血管緊張素轉化酶抑制劑(ACEI)和血管緊張素受體阻斷藥(ARB)是目前較為有效的降低尿蛋白水平的藥物[2],通常劑量是降低血壓的劑量的2倍,需觀察血壓是否有偏低。尿蛋白水平升高但是血壓水平正常后仍需要選用ACEI和ARB的治療,劑量盡可能增加至足量,但是應注意血壓能否耐受[3]。ACEI和ARB可顯著降低血壓,防止心肌肥厚,抑制動脈粥樣硬化,改善胰島素抵抗,抑制血管、心臟、腎臟纖維化,降低腎小球灌注壓利減少蛋白尿等,具有很好的靶器官的保護作用,在糖尿病腎病的血壓控制中為首選,其他還可選用鈣通道阻滯劑,在合適的患者還可使用利尿劑和β受體阻滯劑。

3.2 配制相似材料

1）根據(jù)相似比原理，確定模型圍巖物理力學參數(shù)，試驗采用石灰、細砂、石膏等材料以1 ∶6 ∶1 的質(zhì)量比配制隧道相似材料。

2）噴射混凝土及二次襯砌相似材料，采用石膏相似材料代替，錨桿根據(jù)剛度計算，相似材料采用直徑為2mm 的鋁絲（E=6.69*109Pa）模擬?？紤]鋼拱架及噴射混凝土強度等作用初支厚度為9mm。

3）掌子面超前預加固

為模擬掌子面及掌子面前方巖土超前加固效果，室內(nèi)模型建立時提高加固區(qū)地層強度，該范圍的圍巖材料采用質(zhì)量配比為：砂：石灰：石膏=3 ∶0.3 ∶0.7。

3.3 監(jiān)測項目及手段

1）采用位移計及沉降觀測點等位移采集系統(tǒng)監(jiān)測隧道拱頂下沉、水平收斂、地表下沉。

2）采用壓力盒等應變采集系統(tǒng)監(jiān)測隧道周邊圍巖應力。

3）采用攝象系統(tǒng)實時記錄隧道模型連續(xù)變形過程。

3.4 安全系數(shù)研究

隧道模型安全開挖完成后，持續(xù)加壓直至模型變形坡壞到不能再加壓為止，根據(jù)最終模型破壞時位移、應力監(jiān)測結果及荷載情況，確定隧道安全系數(shù)。

3.5 試驗結果分析

1）掌子面擠壓位移、洞周收斂變形及地表沉降變形情況

試驗監(jiān)測發(fā)現(xiàn)掌子面最大位移0.026mm，拱底隆起最大位移為0.074mm，拱頂最大下沉0.156mm，邊墻最大水平位移0.166mm。

2）圍巖應力變化情況

洞周圍巖應力監(jiān)測采用土壓力盒和土壓力傳感器，測點布置共16個壓力盒，其中9個測點布置在隧道周邊表面，6 個測點埋設在隧道周邊縱向深度10cm 處。從隧道洞周圍巖應力變化曲線及圖2可知，隧道開挖后拱頂、拱底徑向壓力減小，拱肩應力增大。

圖2 拱肩處圍巖裂縫

3）破壞試驗結果

加載到第10 次后，本次加載640kg，累計加載3260kg，換算累計埋深3.35m。此時，隧道襯砌和周圍出現(xiàn)較大裂紋，不適宜繼續(xù)承載。依據(jù)破壞時最大荷載及隧道埋深情況，計算該隧道支護體系的安全系數(shù)為5.1，滿足隧道施工運營穩(wěn)定性要求。

3.6 模型試驗結果分析

采用數(shù)值模擬計算所得最優(yōu)參數(shù)，模型試驗結果如下：

1） 掌子面比較穩(wěn)定，最大變形量0.026mm。洞內(nèi)拱頂最大下沉量為0.16mm，隧底隆起最大為0.07mm，邊墻最大位移0.17mm；

2） 隧道中心地表下沉最大為0.19mm，兩側往邊墻及外側逐漸減??；

3） 將試驗位移量測結果乘以幾何相似比30，可推算隧道實際施工過程中變形破壞規(guī)律。根據(jù)拱肩最先出現(xiàn)破壞且拱頂下沉最大的特點，實際施工時重點關注隧頂變形坍塌。

4） 采用該支護體系的安全系數(shù)為5.1，可指導現(xiàn)場實際施工，確保隧道施工運營安全。

4 結語

表2 河底段圍巖及模擬圍巖物理力學參數(shù)

1）我國隧道施工中對玻璃纖維錨桿加固效應研究甚少，通過數(shù)值模擬分析、室內(nèi)模型試驗，認識到隧道開挖后掌子面位移總體上呈現(xiàn)出中間大，四周小的趨勢，最大縱向位移出現(xiàn)在開挖中心偏下位置。掌子面塑性區(qū)分布范圍與位移分布是一致的，即位移比較大的圍巖進入了塑性區(qū)。

2）對掌子面前方巖土進行預加固，可通過玻璃纖維錨桿實施。這樣可有效控制掌子面巖土的擠壓膨脹變形，增強了隧道施工穩(wěn)定性，減小隧道開挖的預收斂變形，很好地改善圍巖的變形特性。這種加固可實現(xiàn)大斷面機械化快速施工，對施工方法進行優(yōu)化，對低粘聚力的軟弱圍巖地質(zhì)條件隧道施工情況非常適用。

3）研究確定瀏陽河隧道河底段掌子面預加固采用Φ25 玻璃纖維錨桿，加固長度為18m 一環(huán)，搭接6m，按1.5m×1.5m 梅花型布置，加固密度每12m2/一根；外插角1°～3°，循環(huán)進尺為1.8m。