高應(yīng)力軟巖隧道預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的設(shè)計(jì)研究

李 躍

(保定市保通公路勘測設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 保定市 071000)

0 引言

傳統(tǒng)的被動支護(hù)很難解決高應(yīng)力軟巖隧道存在的變形嚴(yán)重問題，將預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)運(yùn)用到高應(yīng)力軟巖隧道中就能很好解決這個問題。許多研究學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究，尤春安[1]從現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬、模型計(jì)算、理論知識運(yùn)用等多方面分析錨固系統(tǒng)的受力特點(diǎn)，提出了錨固體的滑移力。

在現(xiàn)有的研究成果基礎(chǔ)上，基于實(shí)際的工程案例結(jié)合相關(guān)理論，對高應(yīng)力軟巖隧道預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探究錨索支護(hù)在高應(yīng)力軟巖隧道中的適用性和有效性，希望能對高應(yīng)力軟巖隧道預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的設(shè)計(jì)提供參考價值。

1 錨索和錨桿聯(lián)合支護(hù)的特點(diǎn)

為了使單一支護(hù)個體的潛在優(yōu)勢被充分挖掘出來，改變原來傳統(tǒng)的被動支護(hù),實(shí)現(xiàn)1+1>2的聯(lián)合支護(hù)效果[2]，就需要將兩種或者兩種以上的支護(hù)個體有目的的聯(lián)合起來,表現(xiàn)出更好的效果以此來使被支護(hù)的結(jié)構(gòu)更加安全穩(wěn)定。

雖然錨索能夠在巖體的較深處進(jìn)行加固穩(wěn)定，提高主動支護(hù)的效果，但是在高應(yīng)力軟巖隧道中進(jìn)行支護(hù)時，效果不明顯，究其原因主要是支護(hù)體和圍巖不能形成有效的耦合。軟巖隧道的耦合支護(hù)主要有剛度耦合、強(qiáng)度耦合和結(jié)構(gòu)耦合。

(1)剛度耦合

支護(hù)體的剛度和巖體收到破壞變形時的剛度具有一定的相互關(guān)系。巖體的支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅要有很好的變形力，能夠把巖體的變形能合理緩沖吸收，還要使錨索作用力和圍巖的變形相適應(yīng)。從而保證支護(hù)結(jié)構(gòu)和巖體的安全和穩(wěn)定[3]。

(2)強(qiáng)度耦合

錨桿的被動支護(hù)很難有效釋放來自高應(yīng)力軟巖隧道受到擾動產(chǎn)生的變性能，所以，需要采取強(qiáng)度耦合的支護(hù)方法來保護(hù)錨索，同時錨索自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也能對巖體的抗變形能力提供支撐，使巖體的穩(wěn)定性能提高[4]。

(3)結(jié)構(gòu)耦合

處在高應(yīng)力軟巖中的隧道變形主要是巖體的結(jié)構(gòu)面變形，而且出現(xiàn)的變形位置是散布不均沒有規(guī)律的，需要采取特殊的耦合控制支護(hù)方式來進(jìn)行處理，從而提高這些位置對應(yīng)巖體的穩(wěn)定性[5]。

2 錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的流程及原理

由于高應(yīng)力軟巖隧道的聯(lián)合支護(hù)施工環(huán)境復(fù)雜，巖體的變形力和錨桿錨索的相互作用，為了能更好地達(dá)到耦合支護(hù)的效果，需要提前運(yùn)用聯(lián)合支護(hù)理論和相關(guān)力學(xué)研究，確定出有效的耦合支護(hù)方案和具體的力學(xué)參數(shù)。具體的耦合設(shè)計(jì)流程如圖1。

圖1 聯(lián)合支護(hù)具體設(shè)計(jì)流程

在選用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)時，錨桿可以將零散破碎的巖體連接固定起來，當(dāng)高應(yīng)力軟巖體內(nèi)部壓力比較大，錨桿長度比較短時，由于支護(hù)力度不夠很容易發(fā)生變形，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加長錨索，提高巖體的承載強(qiáng)度，進(jìn)而控制巖體的變形程度。特別是在大型的軟巖隧道中，通過托盤的作用預(yù)應(yīng)力錨索相對于其他支護(hù)方式有著更好的效果。

3 工程實(shí)況及數(shù)值模擬分析

本隧道工程位于高應(yīng)力軟巖環(huán)境中，最大構(gòu)造應(yīng)力可達(dá)24.85MPa,傳統(tǒng)的被動支護(hù)形式無法滿足工程需求，采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的主動支護(hù)形式減少隧道的變形對支護(hù)結(jié)構(gòu)體的沖擊，進(jìn)而提高巖體的安全性和穩(wěn)定性。

隧道橫截面為三心圓形式，開挖洞涇為11.75m，洞高9.72m，隧道建筑界限凈高6.75m，采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)作為隧道支護(hù)的方法。如圖2為聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)思路：

圖2 錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)圖

3.1 模型及參數(shù)分析

本次模擬采用FLAC3D有限元軟件，三維尺寸為100m×100 m×40 m，節(jié)點(diǎn)數(shù)量84628個，劃分單元為79801個。水平移動和底部邊界節(jié)點(diǎn)被相對限制，根據(jù)實(shí)地勘測該隧道的垂直應(yīng)力為22.5MPa,側(cè)壓力系數(shù)為0.76，可知隧道巖體水平應(yīng)力為17.10MPa，所以需要在模型兩側(cè)的水平應(yīng)力為17.10MPa，模型上邊界的垂直應(yīng)力為22.5MPa，來進(jìn)行模擬高應(yīng)力軟巖隧道的環(huán)境。該隧道巖體力學(xué)參數(shù)見表1、錨桿錨索參數(shù)見表2。

3.2 圍巖水平位移分析

不同支護(hù)方式中隧道巖體水平位移的變形程度是不一樣的，具體的圍巖距隧道表面距離和隧道拱腰圍巖位移的關(guān)系如圖3。

圖3 不同支護(hù)方式下隧道拱腰水平位移圖

由圖3可以看出，當(dāng)巖體深度未達(dá)到10m時，未采用支護(hù)時，巖體位移差不多在7.5cm，巖體內(nèi)部還是不穩(wěn)定；當(dāng)采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)時巖體相對很穩(wěn)定位移幾乎為零。巖體的最大位移出現(xiàn)在隧洞巖體表面，當(dāng)距離圍巖表層小于3m，巖體變動的趨勢相對明顯，巖體的深度和巖體的變形量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢。

3.3 圍巖垂直位移分析

不同支護(hù)方式中隧道巖體垂直位移的變形程度是不一樣的，具體的圍巖距隧道表面距離和隧道頂板圍巖位移的關(guān)系如圖4。

圖4 不同支護(hù)方式下隧道拱頂垂直位移圖

由圖4可知，圍巖距隧道表面距離小于1m的時候，此時三種支護(hù)形式的巖體變形的垂直位移都最大，錨索錨桿聯(lián)合支護(hù)對應(yīng)的位移為9.71cm；錨噴支護(hù)對應(yīng)的位移為12.10cm；未支護(hù)形式下的巖體對應(yīng)的位移為17.55cm，很明顯在這三種工況中錨索錨桿聯(lián)合支護(hù)是最小的，支護(hù)效果最好。

隨著圍巖距隧道表面距離不斷加大，隧道頂板圍巖位移漸漸變小同時趨向緩平狀態(tài)，其中在5m左右的距離是個拐點(diǎn)，小于5m時對應(yīng)的垂直位移量變化比較大，當(dāng)巖體的垂直深度大于5m時，其位移量變化就比較小。單一錨桿形式的支護(hù)對巖體的支護(hù)效果是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有加上更長的錨索聯(lián)合支護(hù)起來，才能為圍巖提供較好的支護(hù)。

3.4 垂直應(yīng)力分析

高應(yīng)力軟巖隧道最大主應(yīng)力在不同支護(hù)條件下的分布情況如圖5。

圖5 不同支護(hù)形式下巖體垂直應(yīng)力分布云圖

由圖5可知，圍巖的最大主應(yīng)力分布在隧洞的底部和頂部，并且以拉力的形式存在。采用錨噴支護(hù)的情況下對應(yīng)的最大主應(yīng)力為4.0MPa,錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)對應(yīng)的最大主應(yīng)力也是4.0MPa,說明巖體的最大主應(yīng)力值幾乎不受不同的支護(hù)方式的影響。從最大主應(yīng)力分布范圍來分析，未支護(hù)時的受力范圍>錨噴支護(hù)時的受力范圍>錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)時的受力范圍，說明采取錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的形式時巖體的受力范圍最小，隧道巖體的穩(wěn)定性較高。

結(jié)合以上分析，三種不同支護(hù)情況下對應(yīng)的主要模擬數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3結(jié)合上述的分析可知，錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式下，隧道發(fā)生的最大位移區(qū)域主要集中在頂板中央位置，并且發(fā)生的垂直位移相比于未支護(hù)和錨噴支護(hù)方式是最小的，同理水平位移也最??；而從垂直應(yīng)力及最大壓應(yīng)力分別來看，不同支護(hù)情況下的垂直應(yīng)力分別大致相同，但相比較下錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的最大垂直應(yīng)力及最大壓應(yīng)力最??；因此從最大壓應(yīng)力、最大水平位移、最大垂向位移、底部最大垂向位移、最大垂向應(yīng)力這五個方面分析比較，在造價及施工條件允許的情況下，采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式作為隧道的支護(hù)方案較佳。

4 結(jié)論

對錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的作用原理、設(shè)計(jì)參數(shù)及其效果進(jìn)行了分析研究，研究結(jié)果表明：錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)主要通過控制垂直位移、水平位移、垂直應(yīng)力、壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和巖體的屈服特征來解決高應(yīng)力軟巖隧道的支護(hù)問題，較傳統(tǒng)的支護(hù)方式更穩(wěn)定、效果更好，在造價及施工條件允許的情況下，可以采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式作為隧道的支護(hù)方案。