軟巖偏壓隧道中夾巖施工擾動(dòng)效應(yīng)及控制技術(shù)研究

李軍

(湖南建工交通建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

由于軟弱圍巖具有強(qiáng)度小、變形大的特點(diǎn)，小凈距隧道中夾巖柱厚度較小，在隧道施工過(guò)程中多次受到擾動(dòng)容易發(fā)生塑性破壞，為了保證中夾巖穩(wěn)定性，應(yīng)采取相應(yīng)的加固措施對(duì)其進(jìn)行加固處理。確定合理的中夾巖加固范圍參數(shù)是軟弱圍巖偏壓小凈距隧道設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，不僅是保證中夾巖柱加固措施有效性的必要前提，也是提高施工效率和效益的重要舉措。

目前許多學(xué)者對(duì)偏壓小凈距隧道中夾巖柱擾動(dòng)效應(yīng)及加固保護(hù)措施進(jìn)行了相關(guān)研究。何川等、許書生等、王更峰等、唐陶文等、劉蕓等、萬(wàn)民科采用二維彈塑性數(shù)值計(jì)算方法，依托實(shí)際工程，研究了不同的加固措施(預(yù)應(yīng)力錨桿加固、小導(dǎo)管注漿、普通錨噴支護(hù)及不同組合形式)對(duì)小凈距中夾巖柱擾動(dòng)效應(yīng)的控制效果，并對(duì)幾種加固措施進(jìn)行了適應(yīng)性比選研究；楊建平等、黃志義等、章慧健等、張其來(lái)等、李君君等、謝俊杰等結(jié)合實(shí)際工程的施工特點(diǎn)，基于數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)方法，分別研究了支護(hù)時(shí)機(jī)、施工順序、施工方法對(duì)小凈距隧道中夾巖穩(wěn)定性的影響，為實(shí)際工程中夾巖加固方案的制定提供了理論依據(jù)。已有研究對(duì)于中夾巖加固往往只能結(jié)合具體依托工程進(jìn)行規(guī)律性研究與加固措施效果分析，而對(duì)于加固范圍參數(shù)量化的研究甚少，目前對(duì)于加固范圍參數(shù)的取值大多憑借經(jīng)驗(yàn)，往往會(huì)給工程帶來(lái)經(jīng)濟(jì)性的浪費(fèi)或者安全隱患，因此有必要對(duì)其開(kāi)展相關(guān)研究。

該文基于實(shí)際工程，采用Abaqus建立數(shù)值分析模型 ，研究不同凈距和坡度對(duì)軟弱圍巖偏壓小凈距隧道中夾巖圍巖塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律的影響，并研究中空注漿錨桿長(zhǎng)度變化對(duì)中夾巖變形影響，得到合理加固參數(shù)。

1 工程概況

某隧道為高速公路雙向四車道隧道，隧道開(kāi)挖高度10.44 m，單洞開(kāi)挖寬度13.31 m。隧道進(jìn)口段為小凈距段，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，圍巖強(qiáng)度低，隧道小凈距長(zhǎng)度140 m，最小凈距6.5 m，隧道小凈距段地面最大坡度45°，左洞較右洞埋深淺，存在明顯的地形偏壓，現(xiàn)場(chǎng)隧道施工采用上下臺(tái)階法，開(kāi)挖時(shí)先開(kāi)挖淺埋洞，再開(kāi)挖深埋洞，隧道施工風(fēng)險(xiǎn)較大，中夾巖強(qiáng)度低，變形較大，需要對(duì)中夾巖進(jìn)行加固處理。隧道二襯采用C30鋼筋混凝土，厚度為0.5 m，初期支護(hù)采用φ6 mm鋼筋網(wǎng)(20 cm×20 cm)+ 26 cm C25混凝土+I20a鋼拱架,縱向間距0.5 m，隧道拱部、邊墻及中夾巖柱采用φ25 mm中空注漿錨桿進(jìn)行加固，中夾巖區(qū)域錨桿長(zhǎng)度5.5 m，其余區(qū)域錨桿長(zhǎng)度4.5 m，隧道支護(hù)橫斷面如圖1所示。

圖1 隧道支護(hù)橫斷面(單位：cm)

2 有限元模型建立

基于Abaqus建立三維數(shù)值分析模型(圖2)，模型寬度120 m，高度100 m，縱向深度100 m，圍巖選取實(shí)體單元模擬，定義模型的上邊界為自由邊界，對(duì)模型左右邊界x方向、模型底部y方向的位移進(jìn)行約束，前后方向z方向進(jìn)行約束。設(shè)置坡度和凈距工況如表1所示，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 有限元模型

表1 Ⅴ級(jí)圍巖計(jì)算工況

注：√表示計(jì)算工況。

表2 計(jì)算參數(shù)(Ⅴ級(jí)圍巖)

3 計(jì)算結(jié)果分析

提取不同計(jì)算工況下中夾巖塑性區(qū)結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知：

(1) 當(dāng)凈距較大而坡度較小時(shí)，以凈距>18 m的工況為例，兩洞開(kāi)挖各自引起的塑性區(qū)沒(méi)有相交區(qū)域，將其稱為塑性區(qū)分離；當(dāng)10 m<凈距<18 m時(shí)，在洞頂上方的中夾巖柱部位出現(xiàn)塑性區(qū)貫通，但該部位是塑性變形量值很小的塑性區(qū)邊緣位置，最大等效塑性應(yīng)變位于隧道開(kāi)挖輪廓面附近，而沒(méi)有出現(xiàn)在塑性區(qū)貫通位置，將其稱為塑性區(qū)邊緣貫通。在凈距較小時(shí)，以凈距<10 m的工況為例，深埋洞和淺埋洞的塑性區(qū)相互貫通，且其塑性區(qū)貫通位置處于兩洞開(kāi)挖引起的塑性變形量較大的塑性區(qū)中心位置，最大等效塑性應(yīng)變均位于貫通區(qū)域內(nèi)，此時(shí)表現(xiàn)為塑性區(qū)中心貫通。

圖3 塑性區(qū)變化(單位：m)

(2) 塑性區(qū)邊緣貫通其實(shí)質(zhì)是在從塑性區(qū)中心貫通到塑性區(qū)分離的一種過(guò)渡形態(tài)，只出現(xiàn)在坡度大、偏壓嚴(yán)重的情況下。隨著凈距的增加，這些塑性區(qū)邊緣貫通最后都將變成塑性區(qū)分離形式；塑性區(qū)中心貫通產(chǎn)生的圍巖塑性變形要比塑性區(qū)邊緣貫通和塑性區(qū)分離的圍巖塑性變形嚴(yán)重得多。因此，應(yīng)作為小凈距隧道中夾巖加固處理的重點(diǎn)。

為了進(jìn)一步分析凈距變化對(duì)中夾巖圍巖穩(wěn)定性的影響，運(yùn)用巖石抗剪安全系數(shù)K，對(duì)各特征點(diǎn)按式(1)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，以安全系數(shù)允許值[K]≥1.2作為中夾巖柱圍巖穩(wěn)定性判別條件。

(1)

式中：K為抗剪安全系數(shù)；φ為內(nèi)摩擦角；c為黏聚力；σ1、σ3為最大、最小主應(yīng)力。

中夾巖特征點(diǎn)布置如圖4所示，提取不同小凈距下中夾巖A，B，C共3個(gè)特征點(diǎn)抗剪安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4 中夾巖柱特征點(diǎn)布置圖

圖5 特征點(diǎn)圍巖抗剪安全系數(shù)變化曲線

由圖5可知：圍巖抗剪安全系數(shù)隨凈距增加而逐漸增大，各特征點(diǎn)的變化規(guī)律基本一致，增大速度越來(lái)越小，最終將趨于穩(wěn)定。A、B、C所對(duì)應(yīng)的凈距分別為5.6、6.5、9.2 m時(shí)，中夾巖柱特征點(diǎn)抗剪安全系數(shù)達(dá)到臨界值1.2，中夾巖中中心位置抗剪安全系數(shù)小于深埋洞與淺埋洞邊緣安全系數(shù)。當(dāng)凈距小于10 m時(shí)，中夾巖柱抗剪安全系數(shù)小于允許值，中夾巖柱處于塑性區(qū)貫通破壞狀態(tài)，需要對(duì)中夾巖柱進(jìn)行加固，以保證中夾巖的穩(wěn)定性，當(dāng)凈距大于10 m，中夾巖柱抗剪安全系數(shù)大于允許值，中夾巖柱未出現(xiàn)剪切破壞，可不對(duì)中夾巖進(jìn)行加固。

4 錨桿長(zhǎng)度對(duì)中夾巖柱加固效果的分析

由前文分析可知，當(dāng)凈距為5.6 m時(shí)，中夾巖柱穩(wěn)定性達(dá)到臨界狀態(tài)，為了更好地體現(xiàn)錨桿長(zhǎng)度的加固效果，提取凈距為5.6 m時(shí)，隧道中夾巖柱在未加固情況下的塑性區(qū)分布圖見(jiàn)圖6。A、B、C特征點(diǎn)位置圍巖抗剪安全系數(shù)分別為0.98、1.12、1.2。

圖6 未加固情況下隧道塑性區(qū)分布(單位：m)

由圖6可知：該工程在中夾巖未采取加固措施下，隧道施工過(guò)程中中夾巖產(chǎn)生位移較大，中夾巖最大位移為31.2 mm，且中夾巖柱特征點(diǎn)抗剪安全系數(shù)均小于1.2，出現(xiàn)塑性區(qū)中心貫通破壞，為了有效地控制中夾巖塑性區(qū)范圍的擴(kuò)展，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)對(duì)中夾巖進(jìn)行加固。

確定錨桿長(zhǎng)度成為加固方案的關(guān)鍵問(wèn)題，不同錨桿長(zhǎng)度下錨桿軸力、中夾巖位移、淺埋側(cè)和深埋側(cè)拱頂沉降及襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖7～10所示。

圖7 錨桿長(zhǎng)度對(duì)軸力的影響

圖8 錨桿長(zhǎng)度對(duì)位移的影響

圖9 錨桿長(zhǎng)度對(duì)淺埋側(cè)隧道結(jié)構(gòu)的影響

由圖7～10可知：

(1) 當(dāng)錨桿長(zhǎng)度小于4 m時(shí)，錨桿軸力隨著錨桿長(zhǎng)度增大而增大較為明顯，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度大于4 m時(shí)，錨桿軸力隨長(zhǎng)度增大而變化較小，且最終趨于穩(wěn)定；增大錨桿長(zhǎng)度對(duì)中夾巖位移控制效果較為明顯，隨著錨桿長(zhǎng)度的增大，中夾巖位移逐漸減小，且最終趨于穩(wěn)定，在錨桿長(zhǎng)度為4 m時(shí)，繼續(xù)增大錨桿長(zhǎng)度對(duì)減小中夾巖位移效果不明顯；基于錨桿長(zhǎng)度變化對(duì)錨桿軸力及中夾巖位移的影響，錨桿長(zhǎng)度取4 m較為合理。

圖10 錨桿長(zhǎng)度對(duì)深埋側(cè)隧道結(jié)構(gòu)的影響

(2) 深埋洞側(cè)錨桿軸力要遠(yuǎn)大于淺埋側(cè)，且隨錨桿長(zhǎng)度變化更為顯著，深埋側(cè)錨桿受力較淺埋側(cè)錨桿受力更為不利，這是由于地形存在偏壓效應(yīng)，導(dǎo)致深埋側(cè)圍巖壓力比淺埋側(cè)要大，錨桿受力呈現(xiàn)不對(duì)稱性，因此，對(duì)于偏壓小凈距隧道，其支護(hù)參數(shù)可以進(jìn)行合理的調(diào)整，對(duì)于淺埋洞可以采用規(guī)范規(guī)定的同等級(jí)別下支護(hù)參數(shù)的較小值，深埋洞可以采用規(guī)范規(guī)定的同等級(jí)別下支護(hù)參數(shù)的較大值，以使淺、深埋兩洞受力更加合理。

(3) 當(dāng)錨桿長(zhǎng)度小于4 m時(shí)，隧道拱頂沉降及安全系數(shù)隨著錨桿長(zhǎng)度增大而變化較為明顯，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度大于4 m時(shí)，隧道拱頂沉降及安全系數(shù)隨長(zhǎng)度增大而變化較小，且最終趨于穩(wěn)定；增大錨桿長(zhǎng)度對(duì)減小拱頂沉降及增大隧道結(jié)構(gòu)安全性效果較為明顯，基于錨桿長(zhǎng)度變化對(duì)錨桿軸力、中夾巖位移、隧道拱頂沉降及安全系數(shù)的影響，錨桿長(zhǎng)度取4 m較為合理。

5 中夾巖注漿加固效果分析

現(xiàn)場(chǎng)最終采取φ25 mm中空注漿錨桿加固措施對(duì)中夾巖進(jìn)行加固，間距為80 cm(環(huán)向)×50 cm(縱向)，淺埋側(cè)中夾巖錨桿長(zhǎng)度取4 m，深埋側(cè)錨桿長(zhǎng)度取4.5 m，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)隧道的水平和豎向位移及錨桿軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)(O、A、B、C、D、E點(diǎn))布置如圖11所示，其中B、D、E點(diǎn)為豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，O、A、C點(diǎn)為中夾巖柱水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，水平位移測(cè)試采用預(yù)埋測(cè)斜管進(jìn)行測(cè)試，A、C點(diǎn)位置錨桿軸力采用錨桿軸力計(jì)，隧道施工監(jiān)測(cè)時(shí)間為2017年3月到2017年8月，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)量測(cè)數(shù)據(jù)如圖12～14所示。

由圖12～14可知：

(1) 隧道位移及錨桿軸力隨著施工時(shí)間增大先增大，最終趨于穩(wěn)定，中夾巖中部水平位移要大于邊緣位移，隨著隧道的施工中夾巖柱整體往淺埋側(cè)偏移，且淺埋側(cè)水平位移與豎向位移要大于深埋側(cè)位移。

圖11 中夾巖現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移

圖13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移(位移朝淺埋側(cè)為正)

圖14 錨桿軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果

(2) 隧道施工完成時(shí)隧道最大拱頂沉降為-6.57 mm，中夾巖柱最大水平位移為6.8 mm，錨桿最大軸力為34.14 kN，相比未加固情況下的中夾巖最大水平位移(31.4 mm)、拱頂沉降(-34.7 mm)顯著減小，說(shuō)明在整個(gè)隧道段施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)采用的加固措施有效地控制了中夾巖的變形。

6 結(jié)論與建議

(1) 隨著坡度和凈距的變化，中夾巖柱塑性區(qū)將會(huì)表現(xiàn)為塑性區(qū)中心貫通、塑性區(qū)邊緣貫通和塑性區(qū)分離3種類型；塑性區(qū)中心貫通產(chǎn)生的圍巖塑性變形要比塑性區(qū)邊緣貫通和塑性區(qū)分離的圍巖塑性變形嚴(yán)重得多，應(yīng)作為小凈距隧道中夾巖加固處理重點(diǎn)。

(2) 當(dāng)凈距小于10 m時(shí)，中夾巖柱抗剪安全系數(shù)小于允許值，中夾巖柱處于塑性區(qū)貫通破壞狀態(tài)，需要對(duì)中夾巖柱進(jìn)行加固，以保證中夾巖穩(wěn)定性；當(dāng)凈距大于10 m，中夾巖柱抗剪安全系數(shù)大于允許值，可不對(duì)中夾巖進(jìn)行加固。

(3) 基于錨桿長(zhǎng)度變化對(duì)錨桿軸力、中夾巖位移、隧道拱頂沉降及安全系數(shù)的影響，錨桿長(zhǎng)度取4 m較為合理，對(duì)于偏壓小凈距隧道，淺埋洞可以采用規(guī)范規(guī)定的同等級(jí)別下支護(hù)參數(shù)的較小值，深埋洞可以采用規(guī)范規(guī)定的同等級(jí)別下支護(hù)參數(shù)的較大值。

(4) 現(xiàn)場(chǎng)加固措施實(shí)施后隧道施工完成時(shí)隧道最大拱頂沉降為-6.57 mm，中夾巖柱最大水平位移為6.8 mm，相比未加固情況下的中夾巖柱位移和隧道拱頂沉降顯著減小，現(xiàn)場(chǎng)采用的加固措施有效地控制了中夾巖及隧道沉降變形。