隧道掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案比選研究

楊黎宏，陳黨輝，鄭超

（1.福建路橋建設(shè)有限公司，福建 福州 350002；2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350116）

0 引言

在軟弱圍巖隧道工程中，由新奧法原理派生出的施工方法在圍巖變形控制、施工安全以及施工進(jìn)度等方面均表現(xiàn)出了明顯的局限性［1-3］。對(duì)此，有學(xué)者［4］在總結(jié)新奧法原理以及圍巖壓力拱理論的基礎(chǔ)上提出了新意法，該工法強(qiáng)調(diào)通過各種超前預(yù)加固措施對(duì)掌子面及其前方土體的強(qiáng)度以及變形特性進(jìn)行人工干預(yù)，從而達(dá)到維持隧道短期穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化全斷面開挖的目的。該工法突破了傳統(tǒng)新奧法的局限性，并成功地解決了許多軟弱圍巖隧道的施工難題［5-7］。目前，該工法已廣泛地應(yīng)用于歐洲國家的隧道工程建設(shè)并納入意大利的隧道設(shè)計(jì)和施工規(guī)范，而中國對(duì)于新意法的相關(guān)研究還處于萌芽階段。

葉飛等［8］根據(jù)新意法對(duì)于隧道圍巖拱效應(yīng)的分析，以太沙基理論公式為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出可適用于確定新意法超前核心土加固參數(shù)的理論計(jì)算公式；李斌等［9］基于新意法基本理念，采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法提出了掌子面超前錨桿加固密度、加固范圍、加固長度的具體確定方法；崔柔柔等［10］采用數(shù)值模擬的方式，對(duì)軟巖條件下掌子面超前錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)于支護(hù)效果的影響進(jìn)行分析，認(rèn)為掌子面錨桿的搭接長度是控制掌子面穩(wěn)定的關(guān)鍵因素；王志杰等［11］針對(duì)昔格達(dá)組地層大斷面隧道，采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，提出了相應(yīng)的掌子面超前錨桿加固參數(shù)的確定方法；趙巖等［12］以野豬山隧道為工程依托，通過數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)新意法開挖進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：掌子面錨桿等超前預(yù)加固措施可以顯著提高圍巖結(jié)構(gòu)性能，足以為全斷面開挖創(chuàng)造條件。

隧道掌子面超前錨桿作為新意法主要的超前預(yù)加固工法之一，目前中國對(duì)于其加固參數(shù)的研究多集中在加固長度、加固密度以及搭接長度上，而對(duì)于其平面布設(shè)方案的選擇鮮有研究。針對(duì)該問題，本文以渭武高速公路木寨嶺隧道為工程依托，在對(duì)比分析國內(nèi)外隧道掌子面超前錨桿應(yīng)用工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，將確定掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案的要素總結(jié)為形狀以及線形，并歸納出以矩形和圓形為基礎(chǔ)形狀的4 種不同平面布設(shè)方案，進(jìn)而通過數(shù)值模擬對(duì)平面布設(shè)方案的選擇展開研究。研究結(jié)果可為隧道掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案的選擇提供參考。

1 工程概況

木寨嶺隧道是國家蘭海高速（G75）重要組成路段渭武高速公路的控制性工程，其在施工期遭遇了與其毗鄰的蘭渝鐵路木寨嶺隧道相類似的高應(yīng)力軟巖大變形問題?，F(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映，隧道開挖后圍巖變形劇烈，普遍在500 mm 以上，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)3 000 mm?，F(xiàn)場(chǎng)圍巖大變形造成掌子面失穩(wěn)、初支結(jié)構(gòu)侵限破壞等一系列施工難題，施工拆換拱率達(dá)30%以上，施工成本難以控制。

掌子面穩(wěn)定是隧道安全施工的基本前提。然而破碎的巖體結(jié)構(gòu)與高應(yīng)力的相互疊加，使得木寨嶺隧道的掌子面穩(wěn)定性難以保證，時(shí)常表現(xiàn)為掌子面圍巖的局部松動(dòng)掉塊。在部分地質(zhì)條件極差區(qū)域，隧道掌子面在開挖后隨即呈流塑性狀態(tài)，引發(fā)掌子面圍巖大變形，進(jìn)一步造成掌子面附近初支結(jié)構(gòu)受力的急劇增加，導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂乃至崩塌。由于地質(zhì)條件極差，常規(guī)采用的預(yù)留核心土法以及噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)掌子面的措施已經(jīng)很難發(fā)揮作用，隧道掌子面穩(wěn)定性難以保證。

近年來，隧道掌子面超前錨桿已應(yīng)用在不少工程實(shí)例中，并且獲得了顯著成效。相較于常規(guī)掌子面支護(hù)措施，掌子面超前錨桿不僅可以提供強(qiáng)有力的支護(hù)，而且應(yīng)用時(shí)并不占用施工空間，方便機(jī)械化施工，可以顯著提高開挖以及初期支護(hù)施作效率，顯然這對(duì)于高應(yīng)力軟巖變形的控制更加有利。掌子面超前錨桿通常采用玻璃纖維錨桿，玻璃纖維錨桿相較于傳統(tǒng)的錨桿具有質(zhì)量輕、抗拉強(qiáng)度高、抗剪強(qiáng)度低、耐久性好的特點(diǎn)［13］，使得其能在提供足夠掌子面支護(hù)抗力的同時(shí)易于隨掌子面推進(jìn)同步挖除，可以很好地滿足隧道掌子面的支護(hù)與開挖需求。

鑒于掌子面超前錨桿在掌子面變形控制方面體現(xiàn)出的優(yōu)越性，針對(duì)木寨嶺高應(yīng)力軟巖大變形隧道的掌子面穩(wěn)定性問題，擬制定掌子面超前玻璃鋼纖維錨桿支護(hù)方案。然而，目前對(duì)于掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案的研究較少，相應(yīng)的平面布設(shè)方案選擇問題并無相關(guān)依據(jù)可循。通過合理制定掌子面超前錨桿的平面布設(shè)方案，有望將錨桿支護(hù)效果最大化，充分發(fā)揮錨桿支護(hù)作用。

2 掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案總結(jié)

通過對(duì)比分析國內(nèi)外隧道掌子面超前錨桿的工程應(yīng)用實(shí)例［5，14-20］，可將確定掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案的基本要素總結(jié)為形狀以及線形。在此基礎(chǔ)上，按照形狀和線形的不同，將掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案歸納為如圖1 所示的矩形梅花布置、矩形直線布置、圓形梅花布置以及圓形直線布置4 種。例如，蘭渝鐵路桃樹坪隧道作為采用新意法施工的隧道，采用的掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案如圖1（a）；寧波野豬山隧道采用的掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案如圖1（b）；意大利的Vasto 隧道、瑞士的圣哥達(dá)基線隧道采用的掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案則如圖1（c）所示。

圖1 常用掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案

3 數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)

為分析不同隧道掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案對(duì)于支護(hù)效果的影響，采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值建模分析。以木寨嶺隧道的常規(guī)開挖斷面為研究對(duì)象建立基本模型。木寨嶺隧道常規(guī)開挖斷面最大開挖跨度為13 m，最大開挖高度為11 m，開挖總面積約115 m2，研究段埋深約300 m。建模時(shí)為簡化計(jì)算，取上覆土層厚度為40 m，其余埋深影響通過在模型頂面施加上覆土層自重進(jìn)行等效考慮。模型邊界尺寸依照圣維南原理確定，左右邊界與隧道中心線的距離取4D（D為斷面最大開挖跨度），底部邊與隧道底部的距離取3D，最終建立的模型尺寸為116 m×50 m×90 m。隧道模型網(wǎng)格劃分如圖2 所示。隧道模型四周以及底面采用位移邊界條件進(jìn)行約束，頂面為無約束的自由面。不同掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案在模型中的實(shí)現(xiàn)如圖3 所示。

圖2 隧道模型

圖3 掌子面超前錨桿布設(shè)模型

數(shù)值模型中圍巖采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，混凝土噴層采用Shell 單元進(jìn)行模擬，鋼筋網(wǎng)、鋼拱架的作用采用等效剛度折算的方式通過提高Shell 單元的彈性模量予以考慮。掌子面超前錨桿為玻璃鋼纖維錨桿，采用水泥砂漿全長錨固于圍巖中，應(yīng)用時(shí)主要考慮其軸向上的抗拉作用，因此采用Cable 單元進(jìn)行模擬。Cable 單元包含錨桿構(gòu)件以及水泥砂漿，其結(jié)構(gòu)示意如圖4 所示。

圖4 Cable 單元結(jié)構(gòu)示意圖

模型中涉及的結(jié)構(gòu)單元具體參數(shù)見表1、2。模型采用全斷面開挖，每循環(huán)開挖進(jìn)尺為2 m，數(shù)值計(jì)算過程中假定圍巖服從Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則。為充分消除邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，當(dāng)模型逐步開挖、計(jì)算至模型中部y=26 m 斷面時(shí)，再進(jìn)行掌子面超前錨桿布設(shè)。

表1 初支參數(shù)

表2 掌子面超前錨桿參數(shù)

4 平面布設(shè)方案選擇影響因素分析

掌子面超前錨桿的支護(hù)效果主要受到其布設(shè)參數(shù)以及圍巖穩(wěn)定性的影響。因此通過單一改變錨桿布設(shè)數(shù)量、錨桿布設(shè)長度、圍巖等級(jí)以及隧道埋深，探究在錨桿布設(shè)數(shù)量相同的條件下，采用不同平面布設(shè)方案對(duì)錨桿支護(hù)效果的影響。設(shè)定基本計(jì)算工況見表3，相應(yīng)圍巖參數(shù)見表4。為量化評(píng)價(jià)掌子面超前錨桿的支護(hù)效果，定義掌子面擠出變形約束量λ：

表3 基本計(jì)算工況

表4 圍巖參數(shù)

式中：λ0、λs分別為無錨桿支護(hù)、有錨桿支護(hù)條件下掌子面擠出變形最大值（mm）。

4.1 錨桿布設(shè)密度影響

錨桿布設(shè)密度是掌子面超前錨桿布設(shè)方案的關(guān)鍵參數(shù)之一。通過單一改變基本工況中錨桿布設(shè)密度，研究4 種不同掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案支護(hù)效果間的差異及其隨錨桿布設(shè)密度的變化規(guī)律。共 設(shè) 置 錨 桿 布 設(shè) 密 度 為0.31 根/m2、0.46 根/m2、0.88根/m23 種工況。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到掌子面擠出變形約束量隨錨桿布設(shè)密度變化曲線見圖5。

圖5 掌子面擠出變形約束量隨錨桿布設(shè)密度變化

由圖5 可知：①掌子面超前錨桿采用不同線形的矩形平面布設(shè)方案時(shí)，產(chǎn)生的支護(hù)作用效果基本相同，均低于采用圓形梅花平面布設(shè)方案產(chǎn)生的支護(hù)作用效果，且該規(guī)律不隨錨桿布設(shè)密度的變化而變化。如錨桿布設(shè)密度為0.3 根/m2時(shí)，采用圓形梅花布設(shè)方式時(shí)對(duì)應(yīng)的掌子面擠出變形約束量要比矩形平面布設(shè)方案高出5%；②采用圓形直線平面布設(shè)方案產(chǎn)生的支護(hù)作用效果在錨桿密度較小時(shí)，與采用矩形平面布設(shè)方案相近，但當(dāng)錨桿布設(shè)密度增大到一定程度時(shí)，圓形直線平面布設(shè)方案產(chǎn)生的支護(hù)作用效果將與圓形梅花平面布設(shè)方案相近；③隨著錨桿布設(shè)密度的變化，圓形梅花布置始終是最佳的平面布設(shè)方案。改變布設(shè)線形對(duì)矩形布設(shè)方式的支護(hù)作用效果基本沒有影響；對(duì)圓形布設(shè)方式的支護(hù)作用效果影響主要體現(xiàn)是：錨桿布設(shè)數(shù)量較少時(shí)采用梅花形布置可顯著提高支護(hù)效果（約5%），提高程度隨著錨桿布設(shè)數(shù)量的增多逐漸減小。

4.2 錨桿布設(shè)長度影響

掌子面超前錨桿布設(shè)長度也是確定掌子面超前錨桿支護(hù)方案的關(guān)鍵參數(shù)之一。通過單一改變基本工況中錨桿布設(shè)長度，研究4 種掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案支護(hù)效果間的差異及其隨錨桿布設(shè)長度的變化規(guī)律。共設(shè)置5 種工況，錨桿長度分別為6 m、9 m、12 m、15 m、18 m。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到掌子面擠出變形約束量隨錨桿布設(shè)長度變化曲線見圖6。

圖6 掌子面擠出變形約束量隨錨桿長度的變化

由圖6 可知：①當(dāng)掌子面超前錨桿長度大于9 m時(shí)，采用相同形狀不同線形的平面布設(shè)方案產(chǎn)生的支護(hù)作用效果基本相同，采用圓形平面布設(shè)方案要優(yōu)于矩形平面布設(shè)方案，支護(hù)效果間的差異為2%～3%，基本不隨錨桿布設(shè)長度的變化而變化。當(dāng)掌子面超前錨桿布設(shè)長度較短時(shí)，改變平面布設(shè)方案對(duì)支護(hù)效果基本不產(chǎn)生影響；②隨著錨桿布設(shè)長度的變化，掌子面超前錨桿采用圓形平面布設(shè)方案始終可以最大限度地發(fā)揮支護(hù)作用，改變布設(shè)線形對(duì)矩形以及圓形平面布設(shè)方案的支護(hù)作用效果基本沒有影響。

4.3 圍巖等級(jí)影響

通過單一改變基本工況中的圍巖等級(jí)，研究4 種不同掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案支護(hù)效果間的差異及其隨圍巖等級(jí)的變化規(guī)律。通常軟弱圍巖所包含的圍巖等級(jí)范圍為Ⅳ～Ⅵ級(jí)，因此在基本工況上再增加Ⅳ級(jí)、Ⅵ級(jí)圍巖工況，共3 種工況。圍巖參數(shù)如表5 所示。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到掌子面擠出變形約束量隨圍巖等級(jí)變化曲線如圖7 所示。

表5 圍巖參數(shù)

圖7 掌子面擠出變形約束量隨圍巖等級(jí)的變化

由圖7 可知：①掌子面超前錨桿采用相同形狀不同線形的平面布設(shè)方案產(chǎn)生的支護(hù)作用效果基本相同，采用圓形平面布設(shè)方案要優(yōu)于矩形平面布設(shè)方案，該規(guī)律不隨圍巖等級(jí)的變化而變化；②采用圓形平面布設(shè)方案與矩形平面布設(shè)方案，產(chǎn)生的支護(hù)效果間的差異隨著圍巖等級(jí)的降低而縮小；③隨著圍巖等級(jí)的變化，掌子面超前錨桿采用圓形平面布設(shè)方案始終可以最大限度地發(fā)揮支護(hù)作用，改變布設(shè)線形對(duì)矩形以及圓形平面布設(shè)方案的支護(hù)作用效果基本沒有影響。

4.4 隧道埋深影響

通過單一改變基本工況中的埋深，研究4 種掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案支護(hù)效果間的差異及其隨隧道埋深的變化規(guī)律。共設(shè)置3 種工況，埋深分別為100 m、300 m、500 m。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到掌子面擠出變形約束量隨隧道埋深變化曲線如圖8 所示。

圖8 掌子面擠出變形約束量隨隧道埋深的變化

由圖8 可知：①掌子面超前錨桿采用相同形狀不同線形的平面布設(shè)方案產(chǎn)生的支護(hù)作用效果基本相同，采用圓形平面布設(shè)方案要優(yōu)于矩形平面布設(shè)方案，該規(guī)律不隨隧道埋深的變化而變化；②采用圓形平面布設(shè)方案與矩形平面布設(shè)方案，產(chǎn)生的支護(hù)效果間的差異在埋深100 m 時(shí)最大，約6%，當(dāng)埋深增大至300 m 之后，兩平面布設(shè)方案支護(hù)作用效果間的差異較埋深100 m 時(shí)有所減小，約3%；③隨著埋深的變化，掌子面超前錨桿采用圓形平面布設(shè)方案始終可以最大限度地發(fā)揮支護(hù)作用效果，改變布設(shè)線形對(duì)矩形以及圓形平面布設(shè)方案的支護(hù)作用效果基本沒有影響。

5 結(jié)論

（1）隧道掌子面超前錨桿平面布設(shè)方案會(huì)對(duì)其應(yīng)用支護(hù)效果產(chǎn)生影響，因此在設(shè)計(jì)掌子面超前錨桿布設(shè)方案時(shí)應(yīng)考慮平面布設(shè)方案的影響。

（2）通常情況下，隧道掌子面超前錨桿采用相同形狀相同線形的平面布設(shè)方案產(chǎn)生的支護(hù)作用效果相近。只有當(dāng)錨桿布設(shè)數(shù)量較少時(shí)，采用圓形梅花平面布設(shè)方案會(huì)明顯優(yōu)于圓形直線平面布設(shè)方案。

（3）通常情況下，隧道掌子面超前錨桿采用圓形的布設(shè)方式能將支護(hù)效果最大化，相較于矩形的布設(shè)方式，其支護(hù)效果可高出2%～6%。