空間交錯(cuò)隧道施工圍巖應(yīng)力影響范圍及粘接錨桿作用機(jī)理的研究

黃春暉, 趙春晨, 王扶義

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 咸陽 712000)

隨著我國交通工程的快速發(fā)展，大量的鐵路、公路隧道及城市地鐵、排水設(shè)施等隧道工程被修建或即將新建，由此，不可避免會(huì)產(chǎn)生大量的新建隧道鄰近既有結(jié)構(gòu)物的近接施工工程，如何保證這些近接工程的安全施工，既不造成原有隧道的破壞，也要避免既有隧道對新建隧道的施工產(chǎn)生不利影響就成了一個(gè)亟待解決的問題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對此類近接隧道施工相互影響的問題已進(jìn)行了研究報(bào)道。其中，以長春地鐵1號線04標(biāo)段施工地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了后行隧道開挖對先行隧道地表沉降的變化規(guī)律和量值大小；房明等提出了交叉隧道盾構(gòu)施工引起既有隧道沉降計(jì)算的隨機(jī)介質(zhì)理論方法，建立了交叉隧道盾構(gòu)施工引起既有隧道沉降的計(jì)算模型，并探討了計(jì)算參數(shù)的選取方法；針對鐵路雙線立體交叉隧道結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬和回歸分析等方法對不同圍巖級別條件下既有隧道受新建隧道施工的影響情況進(jìn)行了研究。以上現(xiàn)場實(shí)測、模型計(jì)算、數(shù)值模擬3種方法也是研究此類工程的有效手段，但研究內(nèi)容多以變形沉降變形為主而缺乏對圍巖應(yīng)力的研究。因此，本文以貴州省某市機(jī)場高速公路夏家?guī)r隧道上穿貴昆鐵路塔山腳隧道為背景，利用MIDAS/GTS有限元軟件建立不同近接豎距下的空間交錯(cuò)隧道有限元模型，對不同近接豎距下“上穿”新建隧道和下部既有隧道圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律及對基于該工程地質(zhì)狀況的圍巖應(yīng)力變化影響范圍進(jìn)行研究。

1 擬建工程概況

夏家?guī)r隧道位于貴州省某市機(jī)場高速公路，該高速公路等級為：雙向四車道高速公路，隧道設(shè)計(jì)速度80 km/h。夏家?guī)r隧道采用分離式設(shè)計(jì)，左洞長560 m，起止樁號ZK2+690～ZK3 +250；右洞長555 m，起止樁號YK2+705 m～YK3+250 m，隧道主洞建筑限界如表1所示。該隧道出口段150 m內(nèi)正交上穿貴昆鐵路塔山腳隧道，二者設(shè)計(jì)高程差為30 m，交錯(cuò)段公路隧道埋深31～50 m。

表1 夏家?guī)r隧道主洞建筑限界表

2 空間交錯(cuò)隧道有限元模型的建立

利用有限元軟件 MIDAS/GTS 模擬隧道“上穿”新建隧道和下部既有隧道在空間垂直交錯(cuò)時(shí)的開挖和支護(hù)施工，研究其動(dòng)態(tài)施工力學(xué)變化規(guī)律。新建隧道從既有隧道上方以一定距離正交穿過，為了尋求隧道圍巖應(yīng)力隨著兩隧道近接距離的變化規(guī)律，既有隧道鐵路塔山腳隧道高程固定，“上穿”高速公路夏家?guī)r隧道高程逐漸增大，即兩隧道間距逐漸增大，隧道軸線之間的交角始終為正交。立交點(diǎn)處上隧道仰拱底與下隧道拱頂間距分別為：1、2、3、5、7、10、15和20 m此8種近接情況分別建立三維模型，并定義為工況1、工況2、工況3、工況4、工況5、工況6、工況7、工況8。

2.1 分析斷面的選取

有限元模型選取夏家?guī)r隧道左洞和塔山腳隧洞的相交部分進(jìn)行分析計(jì)算，由夏家?guī)r隧道的地勘報(bào)告及設(shè)計(jì)圖紙可知，兩隧道交叉段位于夏家?guī)r隧道出口端150 m處，隧道洞身段埋深20～35 m，地表覆蓋第4系黏土2～5 m，下伏中分化灰?guī)r。建模時(shí)模擬隧道處于中風(fēng)化灰?guī)r中，并且上部覆蓋等厚的5 m人工填土。

考慮夏家?guī)r隧道實(shí)際開挖尺寸以及數(shù)值模型的單元數(shù)量多少對計(jì)算速度的影響，計(jì)算模型選?。洪L80 m、寬80 m、高65 m。上層隧道最大開挖寬度為10.8 m，開挖高度8.6 m；下層隧道最大開挖寬度為7.50 m，開挖高度8.05 m。模型的邊界范圍：上部新建隧道左側(cè)和右側(cè)約為洞跨的3.5倍，下部既有隧道左側(cè)和右側(cè)均約為洞跨的5倍，隧道底部約取洞跨的2倍，隧道頂部埋深取頂部實(shí)際埋深均值30 m。建立的8種工況有限元模型結(jié)果如圖1所示。

圖1 8種工況有限元計(jì)算模型

2.2 邊界條件及荷載的選取

模型上部邊界為自由面，其余各面施加法向約束，隧道周邊節(jié)點(diǎn)為自由界面。由于空間交錯(cuò)部分所處圍巖較差，以Ⅳ級圍巖為主，模型中應(yīng)力釋放系數(shù)分別取開挖隧道時(shí)0.5，初期支護(hù)時(shí)0.3，2次襯砌施作時(shí)0.2；也即圍巖應(yīng)力在隧道開挖時(shí)釋放總應(yīng)力的50%，初期支護(hù)施作時(shí)應(yīng)力釋放總量的30%，2次襯砌施作時(shí)應(yīng)力釋放總量的20%。

2.3 模型參數(shù)的選取

有限元模型中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)按照夏家?guī)r隧道地勘報(bào)告，并結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)進(jìn)行選取。具體的參數(shù)取值如表2、表3所示。

表2 圍巖特性值

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)特性值

3 新建隧道“上穿”前后下部既有隧道圍巖應(yīng)力變化分析

3.1 “上穿”新建隧道開挖前后下部既有隧道圍巖各方向應(yīng)力變化

新建隧道開挖前后下部既有隧道圍巖、、方向主應(yīng)力等值線圖，結(jié)果如圖2所示。

圖2 新建隧道開挖前后下部既有隧道圍巖x、y、z方向主應(yīng)力等值線圖

從圖2可以看出，“上穿”新建隧道開挖前，圍巖內(nèi)各方向均受壓應(yīng)力；“上穿”隧道開挖后空間交錯(cuò)部位各方向主應(yīng)力發(fā)生如下變化。

方向圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)不同程度變化，其中拱頂位置的應(yīng)力變大，拱肩位置應(yīng)力略有變大，拱腰和拱腳應(yīng)力基本沒變；方向圍巖應(yīng)力除拱腳位置壓應(yīng)力有一定增加外，其余位置基本均無變化，但拱頂及拱肩應(yīng)力分布范圍受上隧道開挖影響變化明顯；方向拱頂、拱肩、拱腰、拱腳位置圍巖壓應(yīng)力均略有變大，但拱頂?shù)膲簯?yīng)力值分布范圍由于受上隧道開挖的影響變化明顯。

2.2.6 3組小鼠用力最大呼氣流速比較 對照組和脂多糖組在6、18、36 h后的用力最大呼氣流速比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。18、36 h后，甲強(qiáng)龍組用力最大呼氣流速較脂多糖組升高，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；6 h后，兩組用力最大呼氣流速比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

隧道開挖前后下部既有隧道圍巖最大、最小主應(yīng)力及剪應(yīng)力等值線圖，具體如圖3所示。

從圖3可以看出，“上穿”新建隧道開挖前后，圍巖最大主應(yīng)力沿隧道開挖斷面均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，開挖后既有隧道圍巖中拱頂、拱肩、拱腰、拱腳各處壓應(yīng)力大小基本無變化；但拱頂、拱肩及拱腰位置壓應(yīng)力的分布范圍變化明顯，這是由于上部隧道的開挖圍巖壓力得到一定釋放，導(dǎo)致靠近新建隧道位置圍巖應(yīng)力減小。最小主應(yīng)力開挖前后也都是壓應(yīng)力，最大值有一定變大，在交錯(cuò)部位分布范圍變化與最大主應(yīng)力變化類似，并且沿隧道軸向的分布范圍表現(xiàn)出在交錯(cuò)部位比較集中，在交錯(cuò)范圍外分布較小。

圖3 隧道開挖前后下部既有隧道圍巖最大、最小主應(yīng)力及剪應(yīng)力等值線圖

“上穿”隧道開挖前，既有隧道圍巖中剪應(yīng)力值較??；開挖后，剪應(yīng)力值有一定增加，并且拱頂處剪應(yīng)力為零。剪應(yīng)力在整個(gè)既有隧道沿軸向的分布范圍表現(xiàn)出在交錯(cuò)范圍外既有隧道左拱腳和右拱肩受拉剪應(yīng)力；左拱肩和右拱腳受壓剪應(yīng)力，且交叉范圍內(nèi)剪應(yīng)力值減小。

3.2 不同交錯(cuò)豎距對下部既有隧道圍巖應(yīng)力變化影響分析

通過建模將“上穿”隧道各主應(yīng)力及剪應(yīng)力在拱頂、拱肩、拱腰、拱腳位置各工況開挖前后的應(yīng)力值做差，并與開挖前的應(yīng)力值相比求得各點(diǎn)應(yīng)力值在其開挖前后的變化率，繪制變化率曲線圖，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 拱頂、拱肩位置各應(yīng)力在不同工況下開挖前后應(yīng)力變化率曲線圖

從圖2～圖5可知，“上穿”新建隧道開挖前后，由于卸荷作用，下部既有隧道的拱頂位置應(yīng)力變化率最大;其次是拱肩、拱腰位置。拱腳位置的應(yīng)力變化率最小。

圖5 拱腰、拱腳位置各應(yīng)力在不同工況下開挖前后應(yīng)力變化率曲線圖

結(jié)合本文實(shí)際依托工程地質(zhì)狀況，在工況4時(shí)，“上穿”新建隧道的開挖對下部既有隧道拱頂位置和拱腰位置應(yīng)力的影響最大；在工況3時(shí)，“上穿”新建隧道的開挖對下部既有隧道拱肩位置各應(yīng)力的影響最大；在工況1、工況2開挖時(shí)會(huì)對圍巖應(yīng)力變化產(chǎn)生較大影響，即交錯(cuò)豎距在上部新建隧道0.5倍洞跨內(nèi)時(shí)，上部新建隧道開挖對下部既有隧道圍巖應(yīng)力影響最大。

在工況5、工況6開挖時(shí)對圍巖應(yīng)力變化產(chǎn)生較大影響，即交錯(cuò)豎距在上部新建隧道0.5～1.5倍洞跨時(shí)，上部新建隧道開挖對下部既有隧道圍巖應(yīng)力影響較大。

在工況7、工況8開挖時(shí)對圍巖應(yīng)力變化影響均較小，即交錯(cuò)豎距在上部新建隧道1.5倍洞跨外時(shí)，上部新建隧道開挖對下部既有隧道圍巖應(yīng)力影響較小。

4 “上穿”新建隧道圍巖應(yīng)力特征分析

為便于分析新建隧道圍巖應(yīng)力的變化，在分析下部既有隧道時(shí)，同樣取一些代表斷面及應(yīng)力變化比較穩(wěn)定的關(guān)鍵點(diǎn)來研究?！吧洗毙陆ㄋ淼婪謩e以空間交錯(cuò)豎距：1、2、3、5、7、10、15和20 m這8種工況從既有隧道上方正交穿過。

圖6 新建隧道圍巖各應(yīng)力沿軸向等值線圖

從圖6可以看出，由于下部既有隧道的存在，上部隧道開挖后各應(yīng)力分布跟單個(gè)隧道開挖或遠(yuǎn)離交錯(cuò)位置的端頭位置相比都發(fā)生了明顯變化。為了進(jìn)一步研究在不同豎距開挖對新建隧道圍巖應(yīng)力的影響，根據(jù)新建隧道在8種工況中交錯(cuò)位置中心點(diǎn)處斷面上的拱頂、拱肩、拱腰、拱腳、拱底等關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力大小分別制成8種工況對應(yīng)的各關(guān)鍵點(diǎn)位置應(yīng)力的發(fā)展變化曲線圖，具體如圖7～圖9所示。

從圖6～圖9可以看出，下部既有隧道對新開挖的“上穿”新建隧道各方向主應(yīng)力均有影響，并且呈現(xiàn)出對拱腳、仰拱底位置影響較大；拱肩、拱頂位置影響相對較小。

結(jié)合圖7～圖9可以看出，工況1～工況3的、、方向主應(yīng)力及最大、最小主應(yīng)力基本都呈現(xiàn)先增大后減小且應(yīng)力值最大情況，說明在交錯(cuò)豎距1～3 m時(shí)“上穿”新建隧道圍巖應(yīng)力受下部既有隧道影響較大，即交錯(cuò)豎距在上部新建隧道0.3倍洞跨內(nèi)時(shí)，下部既有隧道對上部新建隧道開挖圍巖應(yīng)力影響最大。

(a)x方向

圖8 新建隧道圍巖z方向主應(yīng)力、最大主應(yīng)力在不同豎距下的變化曲線

圖9 新建隧道圍巖最小主應(yīng)力及xz方向剪應(yīng)力在不同豎距下的變化曲線

從工況3～工況8的、、方向主應(yīng)力及最大、最小主應(yīng)力基本都呈現(xiàn)出迅速減小且到工況8各應(yīng)力值大小趨于接近，說明在交錯(cuò)豎距3～20 m內(nèi)“上穿”新建隧道圍巖應(yīng)力受下部既有隧道影響迅速變小，并且在20 m時(shí)接近無影響范圍，即交錯(cuò)豎距在上部新建隧道0.3～2倍洞跨內(nèi)時(shí)，“上穿”新建隧道圍巖應(yīng)力受下部既有隧道影響迅速變小，并且在上部新建隧道2倍洞跨內(nèi)時(shí)接近無影響范圍。

面上剪應(yīng)力分布表現(xiàn)出左拱肩和右拱腳為壓剪應(yīng)力，右拱肩和左拱腳表現(xiàn)出拉剪應(yīng)力，并且拱肩、腰位置剪應(yīng)力受交錯(cuò)豎距影響較大，拱頂和仰拱底位置剪應(yīng)力受交錯(cuò)豎距影響較??；并隨交錯(cuò)豎距從1 m增加到20 m，下部既有隧道對“上穿”新建隧道的剪應(yīng)力影響減弱，各位置剪應(yīng)力均趨于零。

5 粘接錨桿作用機(jī)理

早期隧道圍巖加固的錨桿大都屬于端頭錨固型，其錨桿端部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且錨桿的桿體大部分外露，容易被銹蝕，很難滿足有永久支護(hù)需求的隧道工程。為了解決上述問題，全長粘接型錨桿應(yīng)運(yùn)而生并得以發(fā)展。

全長粘接型錨桿是指用膠粘材料(如各種膠粘樹脂材料、水泥砂漿等)將錨桿桿體的全長與其周圍圍巖體有效粘接起來，使錨桿的全段都能提供錨固力，從而很好地提高了錨桿對圍巖的加固效果。這類錨桿的變形剛度比端頭錨固型錨桿大很多，當(dāng)隧道巖體沿著全長粘接型錨桿的任意部位變形，該型錨桿都能提供較好的約束作用，并且錨桿全段都被膠粘材料所包裹，能起到防銹蝕作用，更適合作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)使用。因此，全長粘接型錨桿在隧道工程中的使用越來越廣泛。

5.1 錨桿桿體與膠粘材料之間的作用機(jī)理

錨桿與膠粘材料間的粘接力主要包含以下幾個(gè)方面：

(1)化學(xué)粘接力：錨桿表面與膠粘材料之間的膠力是錨桿提供給發(fā)生剪切作用的圍巖的基本抗力，但當(dāng)錨桿與隧道圍巖間發(fā)生相對滑移后，這種粘接力就消失了；

(2)機(jī)械咬合力:由于錨桿表面存在肋節(jié)、螺紋、皺曲等構(gòu)造，使得錨桿與膠粘材料間產(chǎn)生了機(jī)械咬合力，當(dāng)圍巖發(fā)生剪切作用時(shí)機(jī)械咬合力與粘接力一起產(chǎn)生抗力，發(fā)揮穩(wěn)定圍巖的作用；

(3)摩阻力:由于錨桿和膠粘材料在圍巖內(nèi)是通過化學(xué)作用粘接結(jié)合在一起的，但隧道圍巖的變形，會(huì)對錨桿系統(tǒng)產(chǎn)生一定的擠壓作用，使其形成與錨桿表面摩擦系數(shù)有關(guān)的摩阻力。并且，錨桿與膠粘材料間的擠壓力越大，接觸面的粗糙度越高，這種摩阻力也會(huì)越大。

5.2 膠粘材料與圍巖體之間的作用機(jī)理

膠粘材料與隧道圍巖間的作用力大小取決于：膠粘材料與圍巖體的接觸面積、膠粘材料的粘接強(qiáng)度、錨桿孔壁的粗糙度與清潔度等因素。這些影響因素主要通過對圍巖與膠粘材料之間粘接力和摩擦力的大小來影響粘接圍巖與膠粘材料之間的應(yīng)力。圍巖與膠粘材料間的粘接力主要受錨桿孔周圍圍巖強(qiáng)度和粘接材料本身強(qiáng)度的影響；而摩擦力的大小則主要與孔壁的徑向壓力、錨桿孔粗糙度等因素有關(guān)。因此，當(dāng)膠粘材料與錨桿孔壁的摩阻力小于膠粘材料對錨桿的握裹力時(shí)，錨桿的支護(hù)性能就取決于錨桿孔壁圍巖與粘接材料間的最大摩擦力。

6 結(jié)語

通過對貴州省某機(jī)場高速夏家?guī)r隧道“上穿”貴昆鐵路塔山腳隧道8種不同豎距下的建模分析得到以下結(jié)論:

(1)“上穿”新建隧道開挖前后，由于卸荷作用對下部既有隧道的拱頂位置各向應(yīng)力影響最大，其次是拱肩、拱腰位置，對拱腳位置的應(yīng)力影響最小。因此建議施工過程中加強(qiáng)對下部既有隧道的監(jiān)測尤其是拱頂位置；下部既有隧道對新開挖的“上穿”新建隧道各方向主應(yīng)力均有影響，并且呈現(xiàn)出對拱腳、仰拱底位置影響大，拱肩、拱頂位置影響相對較弱，建議設(shè)計(jì)中增加交錯(cuò)位置仰拱及拱腳位置的配筋；

(2)結(jié)合本文實(shí)際依托工程地質(zhì)狀況，交錯(cuò)豎距在上部新建隧道0.5倍洞跨內(nèi)時(shí)，上部新建隧道開挖對下部既有隧道圍巖應(yīng)力影響最大；交錯(cuò)豎距在上部新建隧道0.5～1.5倍洞跨內(nèi)時(shí)，上部新建隧道開挖對下部既有隧道圍巖應(yīng)力影響較大；交錯(cuò)豎距在上部新建隧道1.5倍洞跨外時(shí)，上部新建隧道開挖對下部既有隧道圍巖應(yīng)力影響較小；

(3)結(jié)合本文實(shí)際依托工程地質(zhì)狀況，交錯(cuò)豎距在上部新建隧道0.3倍洞跨內(nèi)時(shí)，下部既有隧道對上部新建隧道開挖圍巖應(yīng)力影響最大；交錯(cuò)豎距在上部新建隧道0.3～2倍洞跨內(nèi)時(shí)，“上穿”新建隧道圍巖應(yīng)力受下部既有隧道影響迅速變小，并且交錯(cuò)豎距在2倍洞跨左右時(shí)接近無影響范圍；

(4)全長粘接型錨桿的作用機(jī)理：錨桿與膠粘材料間的粘接力主要包含化學(xué)粘接力、機(jī)械咬合力、摩阻力等；膠粘材料與圍巖之間的影響因素主要為膠粘材料與圍巖體的接觸面積、膠粘材料的粘接強(qiáng)度、錨桿孔壁的粗糙度與清潔度等其主要通過對圍巖與膠粘材料之間粘接力和摩擦力的大小來影響粘接圍巖與膠粘材料之間的應(yīng)力。