富水強(qiáng)風(fēng)化巖區(qū)域隧道支護(hù)優(yōu)化數(shù)值模擬

黨 丁 李 暾

中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司

1 引言

近些年來(lái)，我國(guó)公路隧道在山嶺區(qū)域越建越多，通?？紤]到道路的線性要求，大部分隧道的隧址區(qū)通常無(wú)法避免危險(xiǎn)區(qū)域，例如富水強(qiáng)風(fēng)化巖區(qū)域。隧道穿越富水強(qiáng)風(fēng)化巖區(qū)域時(shí)，容易失穩(wěn)，會(huì)出現(xiàn)初期支護(hù)變形大，局部變形等問(wèn)題。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，洞內(nèi)外觀測(cè)分析其原因，一方面時(shí)圍巖本身物理性質(zhì)，較為破碎，表現(xiàn)為摩擦角大，粘聚力小，二是圍巖遇水軟化，容易失穩(wěn)，自身承載能力降低，及其依賴初期支護(hù)與二次襯砌的承載能力[1]。另外施工過(guò)程中過(guò)多的擾動(dòng)對(duì)于圍巖的穩(wěn)定性容易造成影響，尤其是CRD法開(kāi)挖，以及過(guò)多、過(guò)長(zhǎng)的系統(tǒng)錨桿打設(shè)，增加了機(jī)械施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)時(shí)間。通過(guò)文獻(xiàn)綜述總結(jié)可知：國(guó)內(nèi)很多松散地層例如砂卵石地層的施工開(kāi)始注重施工期間的擾動(dòng)，在必要時(shí)，不施作系統(tǒng)錨桿。富水強(qiáng)風(fēng)化巖區(qū)域容易失穩(wěn)，對(duì)于施工的擾動(dòng)十分敏感，結(jié)合以往工程實(shí)例分析可知，富水強(qiáng)風(fēng)化巖區(qū)域常見(jiàn)工程災(zāi)害，有圍巖失穩(wěn)，襯砌破損、洞口坍塌等。引發(fā)這些工程災(zāi)害最常見(jiàn)的因素就是水和斷裂帶，這兩者在富水強(qiáng)風(fēng)化巖區(qū)域較為常見(jiàn)，這給隧道施工帶來(lái)極大的不利。本文依托黃江1號(hào)隧道，根據(jù)隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化措施，取消系統(tǒng)錨桿，增加鎖腳錨桿，并對(duì)隧道壁后空洞進(jìn)行注漿增加圍巖的穩(wěn)定性。由于工程已經(jīng)結(jié)束，通過(guò)有限元法進(jìn)行模擬，所得結(jié)論以期為隧道支護(hù)修正，經(jīng)驗(yàn)積累提供參考。

2 工程概況

黃江1號(hào)隧道位于位于廣東省河源市龍川縣黃布鎮(zhèn)松陽(yáng)村附近，左線隧道長(zhǎng)550m，右線隧道長(zhǎng)560m，為中隧道。分離雙洞，測(cè)設(shè)線間距約21.8m～29.5m。該隧道區(qū)屬丘陵地貌，區(qū)內(nèi)地表水系稍發(fā)育,地表水主要為大氣降水形成的地表面流，地表徑流條件較好，隧道進(jìn)、出口位于斜坡上，分布標(biāo)高較高，均有溝谷通過(guò)，匯水面積大，水量多。隧道建設(shè)過(guò)程中，掌子面時(shí)常滲水，圍巖收斂速度隨著下臺(tái)階、仰拱施作會(huì)有小幅度的增加。

3 初期支護(hù)優(yōu)化措施

3.1 錨桿優(yōu)化

錨桿的作用傳統(tǒng)的認(rèn)為是加固壓縮圍巖、懸吊作用，組合梁作用，但是對(duì)于破碎的強(qiáng)風(fēng)化巖巖體，錨桿不但難以起到作用，過(guò)多的擾動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致巖體破裂，隧道原設(shè)計(jì)系統(tǒng)錨桿在兩側(cè)邊墻打入自進(jìn)式錨桿，但由于錨桿打入深度不足，效果不佳，取消系統(tǒng)錨桿。鎖腳錨桿支撐鋼架，不可取消也無(wú)法代替，考慮到圍巖初期壓力較大以及錨桿打入效果較差甚至失效等問(wèn)題，或是將原設(shè)計(jì)鎖腳錨桿3.6m，單組設(shè)置，改為鎖腳錨桿1.8m，同一位置設(shè)置兩組。

3.2 壁后注漿

對(duì)于圍巖的松散結(jié)構(gòu)，有的地方不連續(xù)，壁后空洞形成后會(huì)逐漸向上移動(dòng)，圍巖的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致承載能力的下降，甚至是發(fā)生小型坍塌，根據(jù)圍巖監(jiān)測(cè)所表現(xiàn)的初期支護(hù)收斂速度曲線來(lái)看，在小段時(shí)間內(nèi)速度存在突然增大的現(xiàn)象。除了測(cè)量誤差之外，更多的是圍巖的擾動(dòng)。因此在支護(hù)結(jié)構(gòu)環(huán)向每隔1.5m預(yù)留一注漿管，在下部臺(tái)階施工完后進(jìn)行上一臺(tái)階的注漿工作，確保初期支護(hù)背后連續(xù)完整。

4 有限元法數(shù)值模型

采用有限元軟件MIDAS建立隧道通過(guò)富水強(qiáng)風(fēng)化巖地層數(shù)值模型。圍巖區(qū)域尺寸選取長(zhǎng)×高為45m×40m，圍巖分為3個(gè)地層，各層深度依次為雜填土7m、粉質(zhì)細(xì)土10m、強(qiáng)風(fēng)化巖23m，采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)。隧道凈高隧道建筑限界凈高4.8m，凈寬12.4m。隧道初期支護(hù)厚度28cm（C25噴射混凝土）、二次襯砌厚度60cm（C35 鋼筋混凝土）均采用板單元模擬，彈性本構(gòu)。鎖腳錨桿采用Φ51 自進(jìn)式中空注漿錨桿；考慮到注漿錨桿注漿對(duì)圍巖的加固作用，注漿錨桿加固區(qū)域成一個(gè)小管棚式的加固區(qū)，加固區(qū)中包含注漿錨桿，錨桿類采用植入式桁架單元模擬，彈性本構(gòu)，路基及仰拱厚度2.4m采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)。模型2是初支優(yōu)化模型，取消系統(tǒng)錨桿，增加鎖腳錨桿，建立等效加固區(qū)。模型邊界條件采用自由約束，即位移邊界條件，荷載為自重荷載。模型參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得數(shù)據(jù)以及JTG/TD 70—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》選取。

圖1 有限元模型及參數(shù)

5 計(jì)算結(jié)果分析

隧道開(kāi)挖方法為三臺(tái)階預(yù)留核心土法，通過(guò)初期支護(hù)優(yōu)化，工程造價(jià)減小了。通過(guò)有限元結(jié)果分析判斷是否會(huì)對(duì)隧道質(zhì)量造成影響。由于計(jì)算后，云圖結(jié)果過(guò)多，不一一進(jìn)行展示，僅對(duì)其結(jié)果進(jìn)行描述。從模型豎向位移結(jié)果分析，模型總體沉降最大值處于拱頂?shù)奈恢锰帲O(shè)計(jì)模型沉降最大值29.2mm,支護(hù)優(yōu)化模型沉降值為21.58mm，僅為原模型沉降值的73.82%；從模型橫向位移結(jié)果分析，模型橫向位移最大值處于拱腰位置，呈收斂趨勢(shì)，原設(shè)計(jì)周邊收斂最大值約為12.10mm，支護(hù)優(yōu)化模型周邊收斂最大值約為8.69mm，僅為原模型周邊收斂值的71.82%。從數(shù)值模擬的結(jié)論來(lái)看，對(duì)于富水強(qiáng)風(fēng)化巖，鎖腳錨桿以及注漿加固效果優(yōu)于系統(tǒng)錨桿的加固效果。模型的模擬無(wú)法體現(xiàn)施工的擾動(dòng)，在實(shí)際工程中，系統(tǒng)錨桿的打設(shè)對(duì)于圍巖的擾動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鎖腳錨桿和注漿區(qū)域的施作。因此可以判斷對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化后，不僅節(jié)省了工程造價(jià)，對(duì)于工程的穩(wěn)定有益。

在取消系統(tǒng)錨桿后，觀察鎖腳錨桿的受力情況可知：原設(shè)計(jì)模型鎖腳錨桿軸力受壓為主，上臺(tái)階鎖腳錨桿軸力相對(duì)于中臺(tái)階、下臺(tái)階的更大。原設(shè)計(jì)模型鎖腳錨桿軸力最大值為2719kN，取消系統(tǒng)錨桿后，初支優(yōu)化模型鎖腳錨桿軸力減少至2367kN，錨桿軸力為原設(shè)計(jì)的87.1%。原來(lái)錨桿一組為2 根，支護(hù)優(yōu)化后，鎖腳錨桿為兩組，但總長(zhǎng)度不變，從數(shù)值模擬結(jié)果可以推測(cè)初支優(yōu)化后鎖腳錨桿的有效錨固長(zhǎng)度增加了。另外錨桿打設(shè)過(guò)程可能存在錨固失效等情況。設(shè)置多組錨桿，如果有某根錨桿失效后，另外的錨桿可以承擔(dān)壓力。多組鎖腳錨桿的設(shè)置方式有利于防止單根鎖腳錨桿失效后，鎖腳錨桿失去其本身的加固作用。

壁后注漿能夠改善圍巖狀況，減少空洞現(xiàn)象，這一點(diǎn)是有限元軟件無(wú)法體現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，但是壁后注漿對(duì)于圍巖的加固作用，有限元軟件可以體現(xiàn)。在初期支護(hù)兩側(cè)建立了等效加固區(qū)模擬施工過(guò)程中的注漿作用。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力最大處為拱腰區(qū)域，在對(duì)拱腰區(qū)域進(jìn)行加固后，拱腰區(qū)域受力仍然最大，表現(xiàn)為受壓，這和公路隧道設(shè)計(jì)的線型相關(guān)。原設(shè)計(jì)模型初支軸力最大值為637kN，在進(jìn)行初支優(yōu)化后模型初支軸力最大值為531kN，僅為原設(shè)計(jì)模型的83.4%。壁后注漿改善了初期支護(hù)受力狀況，減小了初期支護(hù)上承受的內(nèi)力，有利于圍巖的穩(wěn)定性。該隧道的工況決定了初期支護(hù)最大內(nèi)力位于拱腰及拱腳位置，對(duì)于兩側(cè)的壁后注漿是極為必要的。

從原模型二次襯砌應(yīng)力分析結(jié)果來(lái)看，隧道拱頂部位表現(xiàn)為拉應(yīng)力，應(yīng)力最大值為7.88kPa，隧道拱腰位置表現(xiàn)為壓應(yīng)力，應(yīng)力最大值為111.3kPa；通過(guò)初支優(yōu)化設(shè)計(jì)后，隧道拱頂部位表現(xiàn)為拉應(yīng)力，應(yīng)力最大值為6.91kPa，隧道拱腰位置表現(xiàn)為壓應(yīng)力，應(yīng)力最大值為111.5kPa；拉應(yīng)力有所減小，考慮到本依托工程原設(shè)計(jì)的合理性，初期支護(hù)優(yōu)化后，二襯作為安全儲(chǔ)備，安全性能仍然較高。

6 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)隧道進(jìn)行施工后，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果所反映出來(lái)的問(wèn)題，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析可以得知，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在富水強(qiáng)風(fēng)化巖區(qū)域修建隧道沉降值減小至原來(lái)的73.82%。鎖腳錨桿受力減小，可見(jiàn)總有效錨固長(zhǎng)度增加了。初期支護(hù)所承受軸力僅為原來(lái)的的83.4%。初期支護(hù)優(yōu)化方案更有利于隧道穩(wěn)定，同時(shí)造價(jià)更少。

對(duì)于系統(tǒng)錨桿的取消，減小鎖腳錨桿長(zhǎng)度，增加鎖腳錨桿數(shù)量并對(duì)圍巖背后進(jìn)行注漿加固通過(guò)數(shù)值模擬的分析對(duì)隧道結(jié)構(gòu)不會(huì)造成不良影響。但對(duì)于系統(tǒng)錨桿取消這一點(diǎn)建議通過(guò)實(shí)驗(yàn)等方式，進(jìn)行驗(yàn)證，在今后的隧道建設(shè)中對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。