軟弱圍巖隧道開挖中預(yù)應(yīng)力及全長粘結(jié)錨桿的支護效果研究

張忠義

(中鐵十一局集團第四工程有限公司，武漢 100855)

1 概述

在大量的隧道工程中，錨桿的施作可以通過懸吊作用，擠壓作用以及形成組合梁(拱)作用等發(fā)揮加固巖土體的效果[1-2]。與傳統(tǒng)支護結(jié)構(gòu)被動抵抗外力不同的是，錨固支護可以改變圍巖體受力狀態(tài)，減小圍巖向臨空面移動，從而一定程度上起到主動防護的作用，也表現(xiàn)出了其支護效果顯著，支護費用經(jīng)濟的特點。根據(jù)錨桿的類型通常可分為全長粘結(jié)錨桿，預(yù)應(yīng)力錨桿，摩擦型錨桿，砂漿錨桿，樹脂錨桿，漲殼式錨桿等[3-4]。其中預(yù)應(yīng)力錨桿和砂漿錨桿是交通隧道以及水利地下工程中最常用的錨桿類型，無論在系統(tǒng)錨固還是隨機錨固方面，都發(fā)揮著極其重要的作用[5-7]。

對于全長粘結(jié)式錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿，國內(nèi)外學(xué)者曾開展過大量研究。Freeman[8]針對隧道中使用的全長粘結(jié)砂漿錨桿展開了詳細的研究。通過分析錨桿受力，提出了錨桿支護中的錨固長度和中性點理念。盧才金，戴自航等[9-10]針對全粘結(jié)非預(yù)應(yīng)力錨桿，壓力型預(yù)應(yīng)力錨桿和拉力型預(yù)應(yīng)力錨桿展開了詳細研究，并分別給出其相應(yīng)的工程適用條件。牛潘宇等[11]基于低頻超聲波在錨固結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律，最終提出了砂漿錨桿的無損檢測新方法。朱家林等[12]通過對現(xiàn)場錨桿施工的長期監(jiān)測，總結(jié)了預(yù)應(yīng)力錨桿的施作要點，提出控制墊板的垂直度以及保持桿體居中是發(fā)揮預(yù)應(yīng)力效果的關(guān)鍵。陳昌富等[13]針對巖土工程中的錨桿預(yù)應(yīng)力損失原因展開研究，建立了界面剪切分?jǐn)?shù)應(yīng)力松弛模型，提高了預(yù)應(yīng)力錨桿的計算精度。綜上可以看出，針對全長粘結(jié)式或預(yù)應(yīng)力錨桿的研究多基于錨固結(jié)構(gòu)的受力和設(shè)計施作要點。針對兩種類型錨桿的錨固效果對比鮮有研究。因此，本文以鶴山隧道為研究對象，采用現(xiàn)場測量及數(shù)值模擬方法，研究上述兩類常用的錨桿類型對于軟弱圍巖隧道的影響，探尋其變形破壞規(guī)律，為類似工程的設(shè)計和施工提供參考。

2 工程概況

本研究依托廣東省汕尾市深山特別合作區(qū)鶴山隧道，沿線地形標(biāo)高為80～332 m。線路全長為1 358 m，穿越剝蝕丘陵區(qū)。隧道進口自然坡度較陡緩，巖性為燕山期晚侏羅世侵入花崗巖，灰色，粗粒、塊狀構(gòu)造，節(jié)理較發(fā)育，巖體整體較破碎，部分地段較完整。鉆孔揭露全風(fēng)化～強風(fēng)化層厚度>34.0 m，顏色為灰黃色-褐黃色并呈砂土狀及半巖半土狀，透水性強(見圖1)。地下水類型為基巖裂隙水，按其賦存空間及構(gòu)造可分為：風(fēng)化裂隙水、構(gòu)造裂隙水二類。為防止水頭壓力對混凝土襯砌產(chǎn)生較大荷載從而引起襯砌開裂變形，部分區(qū)段分別采用砂漿錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿，并進行錨固支護效果對比試驗。

圖1 隧道進口段典型代表性柱狀示意

3 圍巖穩(wěn)定性變化特征

3.1 數(shù)值模型建立

本文將研究區(qū)的巖體簡化為各向同性的均值體。參考現(xiàn)場設(shè)計資料，隧道頂拱上部埋深為100 m，隧道模型洞徑為9 m,高為8.4 m?？紤]到減少模型邊界效應(yīng)對模型結(jié)果的影響，依據(jù)圣維南原理，模型左右及上下均選取約4倍洞徑進行建模。故模型下部邊界距離拱底為36 m，左右兩側(cè)距離兩側(cè)壁約35 m，模型上部距離隧道頂部35 m。沿開挖方向取兩個開挖進尺長度，在模型底部施加豎向位移約束，前后側(cè)進行隧道開挖軸向約束，左右兩側(cè)進行水平邊界位移約束。模型上部邊界施加65 m高的巖體自重荷載，以滿足其埋深條件。選取混合網(wǎng)格單元劃分模型網(wǎng)格，隧道支護結(jié)構(gòu)均采用實體單元。巖體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)。在模擬中采用結(jié)構(gòu)單元cable對隧道中的錨桿進行模擬。cable結(jié)構(gòu)單元由幾何尺寸、材料參數(shù)和水泥漿特性構(gòu)成，通過借助水泥漿接觸面粘結(jié)單元沿其長度方向提供的抗剪能力，以產(chǎn)生局部阻力，從而抵抗圍巖的位移，必要時可對錨頭端施加預(yù)緊力。結(jié)合現(xiàn)場設(shè)計資料，通過設(shè)置cable結(jié)構(gòu)單元中水泥漿特性及預(yù)應(yīng)力參數(shù)，分別模擬全長粘結(jié)錨桿與預(yù)應(yīng)力錨桿。現(xiàn)場施工采用臺階法控制圍巖及支護結(jié)構(gòu)變形。但為對比兩類錨桿的支護效果差異，并探究其變化規(guī)律，本文簡化考慮采用全斷面法進行毛洞開挖模擬(工況A)，采用水泥砂漿錨桿(工況B)和預(yù)應(yīng)力錨桿(工況C)進行系統(tǒng)錨固。開挖支護模型見圖2，共計3 997個單元，5 171個節(jié)點。

圖2 隧道支護斷面及數(shù)值模型示意

3.2 模型參數(shù)取值

模型采用摩爾庫倫本構(gòu)模型進行模擬，巖土體參數(shù)則根據(jù)現(xiàn)場V類圍巖力學(xué)特性試驗結(jié)果參考取值，進行開挖后的圍巖穩(wěn)定性分析。此外，采用Flac3D內(nèi)置的cable單元進行模擬錨桿。錨固支護參數(shù)參考設(shè)計資料，錨桿長度為7 m，沿徑向間距1 m布置，每個斷面共計17根。砂漿錨桿為全長粘結(jié)錨固，預(yù)應(yīng)力錨桿在自由端施加不大于100 kN的預(yù)緊力。圍巖及錨桿參數(shù)取值見表1及表2。

a 左邊墻收斂

a 全長粘結(jié)砂漿錨桿

表1 模型巖體力學(xué)參數(shù)

表2 錨桿參數(shù)

4 計算結(jié)果分析

4.1 圍巖變形分析

現(xiàn)場針對全長粘結(jié)錨桿支護段中某斷面進行了監(jiān)控量測，監(jiān)控量測結(jié)果見表3所示。由表3可以看出，仿真分析結(jié)果與現(xiàn)場實測誤差在17.5%以內(nèi)(<20%)，可以滿足工程精度的要求，表明了該套模型及參數(shù)一定程度上可以有效反映出隧道現(xiàn)場開挖支護后的圍巖-支護力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。存在差異的主要原因是由于施工方法不同、圍巖屬性存在離散、支護時機與實際有差別等。為了保證研究成果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，后續(xù)工況均采用相同模型參數(shù)，便于分析隧洞斷面形變量變化規(guī)律。

表3 監(jiān)控量測及模擬計算數(shù)據(jù)對比

數(shù)值分析結(jié)果表明，圍巖開挖后，洞周附近出現(xiàn)了明顯的收斂變形(如圖3和圖4所示)。在隧洞未支護條件下，拱頂下沉約4.5 mm,兩側(cè)邊墻收縮約6 mm,底鼓量約為2.4 mm。采用砂漿錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿時拱頂?shù)某两盗糠謩e為3.6 mm和2.5 mm，相較于毛洞開挖時分別減小了20%和45%。全長粘結(jié)砂漿錨桿工況下，邊墻收斂為4.7 mm，而相比砂漿錨桿支護，預(yù)應(yīng)力錨桿支護條件下水平位移減小27%，在底鼓隆起方面其位移量約2 mm左右。由于拱底并未設(shè)置錨桿，因此，3種工況下底部位移量相近，相差在10%以內(nèi)。相對于毛洞開挖，錨桿支護對于控制邊墻收斂變形的效果要優(yōu)于拱頂沉降，兩種錨桿對于圍巖變形的控制量差異平均為22.5%，且預(yù)應(yīng)力錨桿相對效果較好。

圖4 隧道開挖支護后監(jiān)測位置最終變形量示意

分別采用砂漿錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿對隧道進行支護時，圍巖初期的變形速率較為相近(如圖5所示)。在拱底位置，兩種錨桿工況下均在5 800步左右接近最終的底鼓變形量。而在拱頂和邊墻處，隨著圍巖應(yīng)力的逐步釋放和支護剛度的增加，全長粘結(jié)砂漿錨桿工況下引起的圍巖變形速率逐漸開始大于預(yù)應(yīng)力錨桿。預(yù)應(yīng)力錨桿工況下，拱頂沉降的收斂也更早，基本在6 000步以內(nèi)，可盡早控制圍巖的變形，也更好的實現(xiàn)了隧道開挖盡早支護、勤量測、緊封閉的理念。

4.2 圍巖應(yīng)力場分析

由圖6中顯示的最大、最小應(yīng)力場云圖可知，開挖后隧道圍巖頂拱受拉，邊墻部分受壓。在無支護條件下，隧道圍巖開挖后的最大主應(yīng)力為0.3 MPa，最小主應(yīng)力為4 MPa，均未超過巖石的抗拉、抗壓強度，但巖石有受拉變形甚至破壞的發(fā)展趨勢。采用全長粘結(jié)砂漿錨桿進行支護后，最大主應(yīng)力減小為 0.26 MPa,應(yīng)力減幅約為13%，而最小主應(yīng)力幾乎沒變。表明全長粘結(jié)錨桿對于圍巖開挖后的二次應(yīng)力分布具有一定的影響，但效果有限。相比于無支護狀態(tài)下，采用預(yù)應(yīng)力錨桿進行支護后，隧道圍巖最大主應(yīng)力下降了23%，而最小主應(yīng)力僅有5%的微弱變化。對比2種錨桿錨固效果，施加預(yù)應(yīng)力錨桿后，最大、最小主應(yīng)力分別下降了10%和5%，表明預(yù)應(yīng)力錨桿錨固支護可有效改善圍巖受拉的狀態(tài)，更有利于圍巖的穩(wěn)定。

a 毛洞開挖

a 全長粘結(jié)砂漿錨桿

4.3 圍巖塑性區(qū)分析

由圖7可以看出，在圍巖開挖后且無支護情況下，隧道圍巖塑性區(qū)沿著洞徑方向不斷向外延伸擴展，塑性區(qū)最大范圍可達10 m左右。當(dāng)采用全長粘結(jié)錨桿進行支護時，隧道周邊部分頂部及邊墻側(cè)區(qū)域塑性區(qū)范圍出現(xiàn)縮小，塑性區(qū)整體貫通性有所降低，塑性區(qū)范圍大致在3～8 m。當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力錨桿進行支護時，開挖后圍巖塑性區(qū)范圍出現(xiàn)了明顯的縮小。特別是在拱頂和左右邊墻處，塑性區(qū)范圍減小至1～2 m，部分區(qū)域塑性區(qū)半徑也縮小至5 m范圍內(nèi)。表明施加預(yù)應(yīng)力錨桿，對于控制圍巖的變形有著有效的作用。同時結(jié)合圍巖位移量及開挖后的應(yīng)力分布結(jié)果來看，預(yù)應(yīng)力錨桿的施作也有效減小了圍巖的變形，降低了潛在破壞風(fēng)險。

5 結(jié)論與展望

本文結(jié)合廣東省汕尾市鶴山隧道工程現(xiàn)場情況，采用有限差分方法針對全長粘結(jié)砂漿錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿在圍巖開挖后的支護效果差異開展研究，詳細對比分析了圍巖位移、應(yīng)力場演化以及塑性區(qū)分布特征。得到如下結(jié)論：

1) 相對于全長粘結(jié)砂漿錨桿，預(yù)應(yīng)力錨桿對于圍巖變形的控制效果有20%左右的提升，可主動抑制圍巖的變形，降低施工安全風(fēng)險。

2) 預(yù)應(yīng)力錨桿支護條件下，圍巖開挖后最大主應(yīng)力明顯下降了23%，但對最小主應(yīng)力影響較小。相對于全長粘結(jié)砂漿錨桿，預(yù)應(yīng)力錨桿對于減小圍巖應(yīng)力有10%左右的提升，可有效改善圍巖受拉狀態(tài)，且利于圍巖的穩(wěn)定。

3) 預(yù)應(yīng)力錨桿可以大幅縮小圍巖開挖后的塑性區(qū)分布范圍，使得開挖面附近圍巖由二維受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變至三維受力狀態(tài)。因此，降低了開挖后因圍巖強度降低引起的洞周發(fā)生張拉及塑性破壞的風(fēng)險。