公路隧道散體圍巖中錨桿支護優(yōu)化布置研究

劉熙媛,張 沖，曹富興 ，宋宜祥

(河北工業(yè)大學 土木與交通學院，天津 300401)

0 引言

軟弱圍巖隧道的設計和施工一直是隧道工程中的重點和難點。散體圍巖作為一種特殊軟弱圍巖，主要結構形狀為碎石狀、顆粒狀，巖體節(jié)理發(fā)育、結構面組合錯綜復雜，具有松散、破碎、層理、節(jié)理和裂隙發(fā)育、易風化、水解、膨脹和軟化等特點[1]。散體圍巖由于自身結構松散，強度較低，易受外界擾動而失去承載力。但是，在散體圍巖隧道進行系統(tǒng)錨桿注漿支護時，往往由于鉆孔難、對圍巖擾動大、注漿質量難以保證、施工工序增加、支護成環(huán)滯后等原因導致出現(xiàn)拱頂沉降加大甚至坍塌等問題，給工程安全造成嚴重的危害。一些學者針對軟弱圍巖取消系統(tǒng)錨桿展開了研究。陳力華[2]等用有限元強度折減法計算了不同地質條件下錨桿對隧道安全系數(shù)大小的影響，得出在很多地質條件下系統(tǒng)錨桿對公路隧道穩(wěn)定性影響不大，建議可以逐步開展取消系統(tǒng)錨桿的工程試驗驗證。陳建勛[3]等在某黃土隧道中進行了設置或取消系統(tǒng)錨桿的試驗，研究表明，系統(tǒng)錨桿在黃土隧道中對結構的穩(wěn)定性作用不大，可以取消。楊善勝[4]在進行現(xiàn)場試驗和有限元數(shù)值模擬分析后，提出在復合式襯砌結構初期支護時，可采用“鋼噴”的支護型式，在這種支護型式下取消了系統(tǒng)錨桿。周宇[5]對廈門海底隧道兩端陸域軟弱地段大斷面淺埋暗挖施工的數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行綜合分析發(fā)現(xiàn)，采用鎖腳錨管能有效控制開挖過程中軟弱地段的整體下沉，降低拱部、右側拱肩和左側邊墻塑性區(qū)范圍，提高初期支護安全性。宋秉元[6]和雷權有[7]在鎖腳錨桿長度、打入角度和打設位置方面進行了研究。合理的鎖腳錨桿長度和打入角度能夠有效地限制圍巖的變形和發(fā)揮支護結構承載能力。鄭俊杰[8]等通過對大斷面隧道錨桿設置優(yōu)化，建議在拱部和邊墻都設置錨桿。王晨昭[9]研究得出若鎖腳錨桿的作用效果不好，可以采用加強超前預支護技術，同時增加鎖腳錨桿的數(shù)量來減小沉降。陳鑒光[10]等指出要嚴格控制上臺階長度與初期支護閉合時間，加強鎖腳錨桿質量。

綜上所述，公路散體圍巖隧道支護方式仍需深入探究。本文依據(jù)徐東強[11]發(fā)明的實用新型專利技術“公路隧道鋼拱架與預應力錨桿一體化支護結構”，研究散體圍巖隧道取消系統(tǒng)錨桿的可行性，對隧道散體圍巖系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿進行優(yōu)化布置。提出新型鎖腳錨桿支護方案，嘗試逐步取消一定范圍系統(tǒng)錨桿，在拱肩、拱腰、拱腳打設鎖腳錨桿。鎖腳錨桿采用注漿錨桿，使錨桿一端與圍巖膠結在一起，另一端錨桿托板與鋼拱架焊接連接固定，鋼拱架之間采用鋼板縱向連接固定。在此方案基礎上提出增強支護方案。采用數(shù)值分析方法與常規(guī)系統(tǒng)錨桿設計方案進行對比，分析支護結構的安全性、關鍵點位移、塑性區(qū)和錨桿軸力等，確定支護布置方案的合理性與適用性，達到優(yōu)化方案的目的。

1 工程概況

延慶至崇禮高速公路起自延慶大浮坨村西側，止于崇禮太子城，是2022年冬奧會交通的主通道和交通重點項目。全長約116 km，被交通運輸部列為第一批綠色公路典型示范工程。

選取該高速公路某特長隧道作為試驗段。該分離式隧道圍巖為Ⅲ-V級，呈強風化～中風化，洞身處圍巖總體呈中～微風化狀，局部巖性侵入帶、接觸帶、構造裂隙帶、溝谷處的圍巖整體性差。隧址區(qū)的地下水主要為基巖裂隙水，巖體含水量少，整體屬于貧水區(qū)。結合掌子面圍巖情況判斷，試驗段圍巖為強風化花崗巖，節(jié)理發(fā)育，較破碎，圍巖完整性與穩(wěn)定性差。

綜合考慮前期地質勘察報告、施工地質情況和隧道地震波超前地質預報、現(xiàn)場圍巖分級測定參數(shù)。依據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》(JTG 3370.1-2018)和《公路隧道設計細則》(JTG-T D70-2010)中現(xiàn)場圍巖分級標準，利用圍巖基本質量指標修正值大小進行判定，巖石質量指標[BQ]≤250。確定該里程段為散體圍巖地段，隧道圍巖級別為Ⅴ級。

2 隧道計算模型與參數(shù)選取

2.1 計算模型的建立

該試驗段隧道深埋200 m，隧道Ⅴ級圍巖深埋段襯砌橫斷面圖如圖1所示。采用ANSYS對隧道進行建模和劃分網格單元，再應用FLAC3D進行襯砌、錨桿、鋼拱架和圍巖的模擬。對隧道圍巖初期支護模型進行網格劃分時，靠近隧道開挖的部分網格劃分較密集，較遠的位置則劃分較稀疏，并盡可能地劃分為六面體單元[12]。

圖1 隧道Ⅴ級圍巖深埋段襯砌橫斷面Figure 1 Cross section of lining of deep buried section of tunnel Ⅴclass surrounding rock

本試驗段地下水不發(fā)育，因此在數(shù)值計算中，初始應力場僅體現(xiàn)自重應力、不考慮地下水的作用。為消除開挖所引起的邊界上的位移影響，在隧道斷面的中心點至左右邊界各取3～5 倍的洞室跨度，在上下邊界取 3～5 倍的開挖高度。幾何模型計算范圍為：模型沿隧道長度方向取y=50 m，隧道斷面寬度方向取x=100 m，隧道高度方向(z軸)向上取50 m，向下取50 m。在模型頂部z=50 m這個界面上施加z方向的常壓應力2.988 3 MPa，模擬頂部以上150 m埋深的自重應力。隧道開挖采用預留核心土法開挖，計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型Figure 2 Numerical simulation model

2.2 本構模型和材料參數(shù)選取

圍巖的本構模型采用霍克布朗(Hoek-Brown)模型，隧道開挖采用空模型，支護與襯砌結構采用彈性模型[13]。

散體圍巖中的注漿錨桿支護單元模擬選擇 pile 單元。采用shell單元模擬隧道初期支護的C25噴射混凝土層、鋼拱架和鋼筋網。根據(jù)式(1)計算得到初期支護等效條件下的彈性模量，以確保鋼拱架之間形成一體化連接。

(1)

式中：E為折算后的混凝土彈性模量；sc為混凝土截面面積；Ec為原混凝土的彈性模量；sg為鋼拱架或鋼筋網截面面積；Eg為鋼材彈性模量。

隧道二襯采用C35鋼筋混凝土，選取彈性本構模型。隧道超前支護在拱頂 120°范圍內進行超前小導管支護，超前小導管采用 beam 單元模擬。圍巖模型參數(shù)如下：圍巖級別Ⅴ，彈性模量E為0.997 GPa，泊松比μ為0.41，密度ρ為2 000 kg/m3，修正[BQ]值為214。錨桿單元參數(shù)如下：單元類型為pile單元，彈性模量E為200 GPa，橫截面積0.007 85 m2，泊松比μ為0.2，軸向抗拉強度260 kN。超前注漿小導管參數(shù)如下：橫向間距0.45 m，縱向間距0.75 m，角度15°，長度4.5 m，彈性模量E為110 GPa，泊松比μ為0.3。初襯、二襯參數(shù)見表1。

表1 初襯、二襯參數(shù)Table 1 Parameters of primary and secondary lining

2.3 隧道開挖方案和支護結構施工工藝

模型研究對象為Ⅴ級圍巖，圍巖自承能力較弱，為減少開挖對圍巖的擾動，采用預留核心土法開挖。因篇幅有限，以系統(tǒng)錨桿為例子進行說明，施工工藝流程為：①拱部超前支護→②拱部環(huán)形開挖→③上半斷面初期支護(噴射混凝土、安設錨桿、掛鋼筋網、架鋼拱和噴混凝土)→④核心土開挖→⑤下半斷面開挖→⑥邊墻與仰拱初期支護→⑦澆筑仰拱→⑧全斷面模筑二次襯砌混凝土。模擬隧道開挖示意圖如圖3所示。

圖3 模擬隧道開挖Figure 3 Simulated tunnel excavation

3 支護方案模擬

本文提出在散體圍巖中取消系統(tǒng)錨桿的新型鎖腳錨桿支護方案，如圖4所示。因為隧道拱頂支護斷面為拱形，支護結構拱頂所受的豎直圍巖壓力將會傳遞到拱肩處，對拱肩處的承載力和剛度有較大要求，所以拱肩鋼拱架接頭處的鎖腳錨桿支護需要加強。因此在隧道拱肩左右各打設4根RD25中空鎖腳錨桿，前后2排間距為0.75 m，每排上下各一根。隧道拱腰、拱腳鋼拱架接頭處左右各打設2根RD25中空鎖腳錨桿，前后2排間距為0.75 m，每排一根。鎖腳桿長4 m，端頭與鋼拱架焊接固定，下插角15°。

圖4 新型鎖腳錨桿支護布置方案Figure 4 New locking foot anchor arrangement scheme

為了探究散體圍巖隧道中系統(tǒng)錨桿與鎖腳錨桿布置方案的合理性，首先對常規(guī)系統(tǒng)錨桿支護與新型鎖腳錨桿支護方案進行了對比，然后提出針對新型鎖腳錨桿支護的2種增強支護方案，如圖5所示，具體布置方案見表2中的方案3和方案4。4種方案中，錨桿對稱布置，分別選取1～18不同位置的錨桿進行組合分析，為后續(xù)現(xiàn)場試驗提供方案選擇和理論支撐。

圖5 錨桿位置示意圖Figure 5 Schematic diagram of anchor position

表2 模擬支護方案布置方案Table 2 Simulation support plan layout plan

根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》和現(xiàn)場公路隧道監(jiān)控量測經驗，對模型拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底5處共8個特征點位進行數(shù)值模擬監(jiān)測，見圖6。

圖6 測點布置示意圖Figure 6 Schematic diagram of measuring point layout

3.1 主應力分析

根據(jù)莫爾強度理論和 Hoek-Brown 屈服準則的假設，巖石的強度值與第二主應力的值無關。因此本文對第二主應力不進行分析，只對第一主應力和第三主應力進行分析。

首先對方案1和方案2進行分析。方案 1 第一主應力云圖中，二襯結構洞周壓應力最大值為11.3 MPa。第三主應力云圖中，圍巖與襯砌各部位均受壓應力，且數(shù)值較小。方案1滿足隧道圍巖與襯砌結構的安全穩(wěn)定。方案2第一主應力云圖如圖7所示，襯砌結構拱腳部位最大壓應力值為11.7 MPa。第三主應力云圖中，在拱頂二襯處出現(xiàn)2.95 MPa 的最大拉應力，超過 C35 混凝土抗拉強度標準值2.2 MPa，會引起拱頂二襯結構受拉破壞，不宜作為散體圍巖中的錨桿支護方案選擇。因此，本項目在新型鎖腳錨桿支護方案基礎上，計算對比2種增強支護的方案3和方案4。

(a) 第一主應力

(b) 第三主應力

方案3中，在第一主應力云圖中二襯結構拱腳部位出現(xiàn)16 MPa 的最大壓應力。第三主應力云圖中在拱腳出現(xiàn)1.9 MPa 的最大拉應力，而拱頂二襯拉應力小于 1 MPa，均小于二襯 C35 混凝土抗拉強度標準值。方案 4在新型鎖腳錨桿支護的基礎上加強拱頂超前小導管注漿。在拱腳二襯出現(xiàn) 18 MPa 最大壓應力；第三主應力圖中，在拱底二襯出現(xiàn)2.95 MPa 最大拉應力，拱底二襯拉應力大于 C35 混凝土抗拉強度標準值，容易破壞。綜上分析，2種支護方案需對拱腳部位注漿加固和拱底仰拱支護。

3.2 位移關鍵點分析

考慮隧道臨空面距離、臨空時間和隧道掌子面開挖擾動時間的影響，監(jiān)控斷面選取在隧道計算模型軸線方向15 m處。對拱頂?shù)某两抵担暗茁∑鹬?，拱肩、拱腰和拱腳的水平收斂值進行監(jiān)測。如圖8所示，各設計方案關鍵點位移相差不大。

圖8 各方案15 m斷面處關鍵點位移Figure 8 Displacement of key points at 15 m section of each scheme

選取方案 4，對距離掌子面不同距離關鍵點位移變化進行分析，監(jiān)測點與掌子面的距離根據(jù)開挖步數(shù)得出，如圖9 所示。開挖過程中會對掌子面前方巖體造成擾動，在掌子面前方 6 m處作用較明顯，開挖至監(jiān)控斷面時，拱頂沉降值為6.85 mm，拱底隆起值為6.88 mm。因此散體圍巖隧道開挖過程中提前做好超前支護很有必要。在隧道掌子面開挖至距監(jiān)測斷面后12 m過程中，拱頂沉降值達到26.30 mm，拱底隆起值達到27.71 mm。拱肩、拱腰和拱腳收斂值也有了較大的增長。此時隧道圍巖變形急劇增加，對圍巖擾動最為明顯，此時隧道圍巖變形急劇增加， 因此開挖過程中需要及時做好襯砌支護。在開挖至距離監(jiān)測點后 12～30 m 的過程中，監(jiān)測點圍巖變形增加緩慢直至穩(wěn)定平衡，此時由于后期加固支護的及時施加，有效抑制圍巖變形，圍巖變形達到穩(wěn)定。方案4與方案1相比拱頂沉降值增加了9.23%，拱肩收斂值增加了10.58%，拱腰收斂值減少了10.59%，拱腳收斂值減少了3.81%，拱底隆起值減少了3.04%。方案4較方案1使用錨桿數(shù)量減少，在加強超前注漿、減少圍巖擾動和初期支護時間方面優(yōu)勢明顯，有利于隧道變形穩(wěn)定。

圖9 方案4隧道斷面y=15 m處距掌子面不同距離關鍵點位移變化圖Figure 9 Scheme 4 The displacement change diagram of key points at different distances from the tunnel face at y=15 m of the tunnel section

3.3 塑性區(qū)分析

對比分析各方案開挖支護完成后的塑性區(qū)體積，如圖10所示。隧道拉壓破壞占主要部分，剪切破壞占的比重較小。相比方案1，方案3和方案4塑性區(qū)體積減少了43.3%和41.9%，塑性區(qū)體積均減少較為明顯。選取方案3與方案4塑性區(qū)體積分布圖進行分析，如圖11，2種方案隧道塑性區(qū)主要出現(xiàn)在拱頂部位，2個方案的二襯均未出現(xiàn)塑性破壞，充分發(fā)揮了其支護安全儲備能力。

圖10 各設計方案塑性區(qū)體積圖Figure 10 Volume diagram of the plastic zone of each design

(a) 方案3塑性區(qū)體積分布圖

(b) 方案4塑性區(qū)體積分布圖

3.4 錨桿軸力分析

方案 3和方案 4鎖腳錨桿部分軸力分布趨勢類似，因此選取方案 3的錨桿軸力分析。錨桿編號1～編號 4(拱頂系統(tǒng)錨桿)主要受軸向拉應力，最大值在160 kN附近波動，拱部系統(tǒng)錨桿能充分發(fā)揮其“懸吊”作用。拱肩的鎖腳錨桿主要承受壓力，最大壓應力為120. 95 kN。拱腰的鎖腳錨桿軸力最大值為164. 51 kN，呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，能夠限制圍巖收斂變形。方案3拱腳的鎖腳錨桿軸力最大值為1.17 kN，方案4拱腳的鎖腳錨桿軸力最大值為42.75 kN，2種方案拱腳錨桿均處于受拉狀態(tài)，可發(fā)揮其“微型樁”作用。由于拱腳鎖腳錨桿軸力較小，起不到主要的加固作用，可通過注漿對該處圍巖進行加固，提高拱腳襯砌的穩(wěn)定性。

4 隧道現(xiàn)場關鍵點位移監(jiān)測

根據(jù)前期超前地質預報和圍巖分級確定某隧道右洞K18+910～K18+820段為散體圍巖地段，在此區(qū)段內進行現(xiàn)場試驗，方案3選取的區(qū)段為K18+854～K18+832，方案4選取的區(qū)段為K18+892～K18+870。隧道開挖后，在初期支護完成后再隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱腳等關鍵點布置反光片，通過采用全站儀進行觀測，測量隧道拱頂沉降、拱肩、拱腰、拱腳收斂,見圖12。

圖12 隧道監(jiān)控量測位移變化圖Figure 12 Displacement change chart of tunnel monitoring measurement

根據(jù)圖12可知各關鍵位移變化在掌子面開挖后前期增長較快，在第30天后基本達到平穩(wěn)。各方案監(jiān)測點位移最終值為：方案3拱頂沉降31.67 mm，拱肩收斂14.41 mm，拱腰收斂16.29 mm，拱腳收斂9.3 mm(未平穩(wěn)反光片被破壞)。方案4拱頂沉降25.4 mm，拱肩收斂15.22 mm，拱腰收斂16.22 mm，拱腳收斂17.65 mm。2種方案的拱肩、拱腰和拱腳水平收斂值相近，在16 mm上下波動。

在方案4當中，由于前期洞室未開挖前強化對掌子面前方圍巖進行超前加固，圍巖已經形成較厚加固圈層，能有效抑制圍巖位移，因此拱頂沉降值較小。方案 3 由于前期洞室未開挖前也對掌子面前方圍巖進行超前加固，圍巖形成一定厚度加固圈層，且避免后續(xù)因打設系統(tǒng)錨桿鉆孔造成的加固圈層破壞和圍巖擾動，能一定程度上抑制圍巖位移。

由表3可知，方案3中數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗的拱頂沉降相差最大，差值為2.88 mm。方案4中數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗的拱腰收斂相差最大，差值為4.91 mm。數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結果中拱頂沉降、拱肩收斂、拱腰收斂和拱腳相比差距較小，可以證明數(shù)值模擬的準確性。

表3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結果對比表Table 3 Comparison of numerical simulation and field monito-ring resultsmm

綜合現(xiàn)場監(jiān)控量測結果與數(shù)值模擬計算結果分析得出，散體圍巖隧道中采用新型鎖腳錨桿支護方案基礎上，加強超前小導管支護的方式能最好地抑制圍巖變形。另外，在采用新型鎖腳錨桿支護方案基礎上，在拱頂局部打設注漿系統(tǒng)錨桿也是較好的方式。

5 結論

通過對初期支護系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿的優(yōu)化布置，得出以下結論：

a.通過與傳統(tǒng)系統(tǒng)錨桿支護方案對比，提出了散體圍巖中采用新型鎖腳錨桿支護方案，并針對新型鎖腳錨桿支護提出對拱頂局部打設系統(tǒng)錨桿(方案3)和加強超前小導管支護(方案4)的2種增強支護方案。

b.對比分析4種支護方案的第一主應力和第三主應力，方案1、方案3和方案4能夠滿足隧道結構安全性要求。分析塑性區(qū)破壞體積，2種增強支護方案塑性區(qū)均較小，二襯均未破壞。能充分發(fā)揮其支護安全儲備能力。

c.散體圍巖隧道開挖對掌子面前方圍巖擾動明顯，應提前做好超前支護。掌子面開挖過后隧道圍巖變形急劇增加，開挖過程中需要及時做好初襯支護。2種增強支護方案在加強超前注漿、減少圍巖擾動和初期支護時間方面優(yōu)勢明顯，有利于隧道變形穩(wěn)定。

d.對增強2種方案錨桿力學狀態(tài)進行分析，拱部系統(tǒng)錨桿能充分發(fā)揮其“懸吊”作用。拱肩鎖腳錨桿承受較大壓應力。拱腰部分的鎖腳錨桿處于受拉狀態(tài)，能夠限制圍巖收斂變形。拱腳處鎖腳錨桿可發(fā)揮其“微型樁”作用，錨桿軸力較小，起不到主要的加固作用，需要注漿對該處圍巖進行加固。

e.將數(shù)值模擬計算結果與現(xiàn)場監(jiān)控量測結果進行對比分析，數(shù)值相差較小，可以從側面證明數(shù)值模擬計算的準確性。

綜上，散體圍巖隧道在200 m埋深情況下，如果取消全環(huán)系統(tǒng)錨桿，可以采用新型鎖腳錨桿增強支護方案，即：在拱肩、拱腰、拱腳等鋼拱架接頭處打設注漿鎖腳錨桿，并將錨桿端頭與鋼拱架焊接固定，同時在拱頂局部打設注漿系統(tǒng)錨桿或加強超前小導管注漿。這2種支護方案在取消系統(tǒng)錨桿的情況下，能保證隧道圍巖與襯砌結構的安全性與穩(wěn)定性，對于隧道支護方案的優(yōu)化具有指導意義。