滇西南單線鐵路隧道薄層軟巖錨桿參數(shù)優(yōu)化

吳清祿　張慶文

摘 要：在薄層軟巖隧道施工過程中，圍巖極易發(fā)生大變形造成初期支護(hù)侵限。為此，依托某薄層軟巖隧道工程，基于遍布節(jié)理屈服準(zhǔn)則，采用有限差分軟件（FLAC 3D）對比分析不同錨桿長度和不同錨桿的布置方式對圍巖變形控制效果的影響。研究結(jié)果表明：（1）采用非對稱式錨桿設(shè)計(jì)比采用全環(huán)均勻式錨桿設(shè)計(jì)更能有效的減小薄弱部位圍巖變形;（2）在一定范圍內(nèi)增加錨桿長度，能有效改善錨桿受力和限制圍巖塑性區(qū)發(fā)展，但對圍巖位移抑制效果并不明顯;（3）該成果可為薄層軟巖隧道初期參數(shù)優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：薄層軟巖;大變形;初期支護(hù);錨桿

中圖分類號：U25? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0150-02

我國隧道工程建設(shè)正向長大、深埋方向發(fā)展，建設(shè)穿越地質(zhì)環(huán)境惡劣的薄層軟巖區(qū)的長大隧道工程已不可避免。目前，已有學(xué)者對層狀圍巖變形特征[1～3]和隧道初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究。在不考慮隧道縱向開挖方式和流變等因素的影響，得出支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞往往發(fā)生在節(jié)理面的法線方向[4～7]。錨桿通過主動加固圍巖的方式，在隧道初期支護(hù)中扮演著重要的“角色”。盡管不少學(xué)者對錨桿受力特性做了相關(guān)研究[8-10]，但針對薄層軟巖隧道采用非對稱設(shè)計(jì)方面研究較少。為此，本文以某薄層軟巖隧道為工程背景，基于薄層軟巖變形特征，采用非對稱式設(shè)計(jì)，選用遍布節(jié)理本構(gòu)模型對錨桿參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1工程概況

隧道位于西南區(qū)域，全長9375m。隧道DK161+930～DK167+055段洞身范圍主要分布下古生界瀾滄群（Pz[1]ln）。隧道圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部發(fā)育節(jié)理密集帶。其中瀾滄群以薄層極軟巖為主，巖體強(qiáng)度低，耐崩解性差，遇水易軟化，巖體破碎，圍巖自穩(wěn)性差。隧道采用三臺階法施工，在施工過程中存在變形大且變形時(shí)間長，變形基本集中在左側(cè)，右側(cè)變形小于左側(cè)，如圖1所示。隧道初支斷面及支護(hù)參數(shù)如圖2所示。

2數(shù)值模擬分析

2.1建立三維模型

本文以（DK161+930～DK167+055）段中部隧道為對象建立三維模型，隧道最大埋深為250m，模型的尺寸為88m×110m×50m。模型側(cè)面和底面施加速度約束，對模型頂面施加大小為5.68MPa的垂深地應(yīng)力。噴射混凝土、錨桿以及鋼拱架分別采用shell、cable和beam結(jié)構(gòu)單元模擬，隧道超前支護(hù)的模擬通過增加加固區(qū)圍巖參數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)。隧道三維模型和開挖模型如圖3、4所示。

2.2計(jì)算參數(shù)

根據(jù)隧道地勘資料和鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[10]，選取隧道三維模型計(jì)算參數(shù)如表1、表2所示。

2.3工況設(shè)置

以錨桿間距（1.0m×1.0m）、拱部錨桿長度（3m）為不變量，通過改變局部錨桿長度，來分析局部錨桿長度分別為3m、3.5m、4m、4.5、5m時(shí)的圍巖位移、圍巖塑性區(qū)、錨桿軸力情況。

2.4計(jì)算分析

從圖5可以看出錨桿長度的增加，對圍巖變形有一定的抑制作用。當(dāng)錨桿長度增加到4m時(shí)，在增加錨桿長度并不會大幅度的減小邊墻水平收斂值;錨桿長度由3m增加到3.5m后，錨桿對拱底隆起及拱頂下沉有明顯的改善，但在增加錨桿長度對拱底隆起及拱頂下沉并沒有很明顯的限制效果，其變化值不到0.1cm;工況1～4隨著錨桿長度的增加，圍巖塑性區(qū)面積在逐漸減小，當(dāng)錨桿長度增加到4.5m時(shí)，圍巖塑性區(qū)達(dá)到最小值;錨桿長度的增加錨桿軸力也隨之增大，工況4錨桿軸力達(dá)到最大值，說明對薄弱部位采用4.5m錨桿更能增強(qiáng)錨桿的支護(hù)效應(yīng)。

對比分析五種工況的計(jì)算結(jié)果可知，后四種工況均優(yōu)于第一種工況，且從圖5可以看出，第四種工況在邊墻水平收斂值、拱底隆起值、拱頂下沉值、錨桿軸力以及塑性區(qū)面積均優(yōu)于其它工況，在結(jié)合現(xiàn)場施工難度的復(fù)雜性和工程成本等因素，薄弱部位錨桿設(shè)置的最優(yōu)長度為4.5m。

3結(jié)論

通過建立薄層軟巖隧道三維模型，對錨桿設(shè)置部位，錨桿設(shè)置長度進(jìn)行優(yōu)化，得到如下結(jié)論：

（1）根據(jù)薄層軟巖隧道的變形特點(diǎn)，采用非對稱錨桿設(shè)計(jì)更能有效地阻止圍巖塑性區(qū)發(fā)展。

（2）將薄弱部位錨桿長度增加到4.5m，能有效地增加各個(gè)巖層之間的摩阻力，阻止圍巖塑性區(qū)發(fā)展。

本文針對薄層軟巖隧道建立了三維數(shù)值模型，重點(diǎn)研究了隧道在三臺階臨時(shí)仰拱法開挖方式下，薄層軟巖隧道錨桿參數(shù)設(shè)置以及錨桿布置形式，但未考慮時(shí)間因素對薄層軟巖變形的影響，在后續(xù)可以進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]李磊，譚忠盛，郭小龍， 等.高地應(yīng)力陡傾互層千枚巖地層隧道大變形研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，36（07）：1611-1622.

[2]李曉紅，夏彬偉，李丹， 等.深埋隧道層狀圍巖變形特征分析[J].巖土力學(xué)，2010，31（04）：1163-1167.

[3]郭富利，張頂立，蘇潔， 等.含軟弱夾層層狀隧道圍巖變形機(jī)理研究[J].巖土力學(xué)，2008，29（S1）：247-252.

[4]沙鵬，伍法權(quán)，李響， 等.高地應(yīng)力條件下層狀地層隧道圍巖擠壓變形與支護(hù)受力特征[J].巖土力學(xué)，2015，36（05）：1407-1414.

[5]吳迪，陳子全，甘林衛(wèi)， 等.高地應(yīng)力深埋層狀圍巖隧道非對稱變形受力機(jī)制研究[J].隧道建設(shè)（中英文），2018，38（11）：1813-1821.

[6]劉小剛，張藝山，于志方.基于FLAC～（3D）的層狀巖石強(qiáng)度特征研究[J].礦冶工程，2018，38（06）：39-43+47.

[7]張秋實(shí)，管連永，李化云， 等.大斷面隧道穿越層狀圍巖段初期支護(hù)優(yōu)化研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（23）：9561-9566.

[8]韓昌瑞，白世偉，王玉朋， 等.層狀巖體深埋長隧道錨桿支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].巖土力學(xué)，2016，37（S1）：409-414.

[9]李濤，陳宏斌，王永剛， 等.側(cè)壓力系數(shù)對高地應(yīng)力隧道系統(tǒng)錨桿影響分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2020，16（S1）：437-441.

[10]鄭俊杰，劉秀敏，歐陽院平， 等.大斷面隧道錨桿設(shè)置的優(yōu)化分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5（02）：341-346.

基金項(xiàng)目：云南省科技廳重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目（2018BC008）資助。