隧道軟弱圍巖掌子面超前錨桿支護(hù)參數(shù)分析

摘要：文章結(jié)合某公路隧道工程，采用數(shù)值模擬的方法分析了隧道掌子面超前玻璃纖維錨桿的支護(hù)密度、加固長(zhǎng)度和搭接長(zhǎng)度對(duì)隧道圍巖變形的影響，計(jì)算結(jié)果表明：隨著支護(hù)密度的增加，掌子面拱頂前方和中心前方的預(yù)收斂變形逐漸減小，掌子面的擠出位移逐漸減小，且減小幅度逐漸降低；隨著加固長(zhǎng)度的增加，掌子面拱頂前方和中心前方的預(yù)收斂變形及掌子面的擠出位移變化不明顯，但玻璃纖維錨桿的軸向應(yīng)力先增大后趨于平穩(wěn)；隨著搭接長(zhǎng)度的增大，掌子面拱頂前方和中心前方的預(yù)收斂變形逐漸減小，掌子面的擠出位移逐漸減小，且減小幅度逐漸降低。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖；玻璃纖維錨桿；新意法；掌子面核心土；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U455.7+1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.052

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0176-04

0引言

近幾年，我國(guó)西部大開發(fā)戰(zhàn)略已經(jīng)進(jìn)入加速發(fā)展階段，西部交通工程的建設(shè)也迎來大的挑戰(zhàn)，尤其是隧道工程的建設(shè)，常面臨著需穿越不良地質(zhì)（軟弱圍巖、巖溶、斷層破碎帶等）的難題。軟弱圍巖是淺埋隧道全斷面開挖過程中經(jīng)常遇到的不良地質(zhì)之一，軟弱圍巖掌子面穩(wěn)定性較差，支護(hù)措施不當(dāng)便會(huì)造成掌子面及拱頂塌方，導(dǎo)致人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失［1］。

目前，大量學(xué)者對(duì)軟弱圍巖掌子面的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。孟永香［2］結(jié)合某隧道工程施工，采用Midas GTS軟件模擬分析了地表注漿加固、管棚超前支護(hù)及兩者聯(lián)合支護(hù)的掌子面變形規(guī)律，認(rèn)為聯(lián)合支護(hù)可以有效控制掌子面變形；張書國(guó)等［3］采用FLAC 3D軟件模擬分析了某深埋大斷面隧道在三種開挖方法下圍巖的變形特征，得到三臺(tái)階七步開挖工法對(duì)隧道圍巖變形影響最小；張帥等［4］綜合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的手段，對(duì)東天山特長(zhǎng)公路隧道穿越F2斷層時(shí)的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析驗(yàn)證，得到了較合理的圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及施工順序；葉亦文［5］采用Midas GTS軟件模擬分析了淺埋軟弱圍巖隧道在三種不同的開挖方法下圍巖的變形特征，認(rèn)為雙側(cè)壁法可以有效控制圍巖變形；孫軍平等［6］依托某輸水隧洞工程，采用數(shù)值模擬對(duì)比分析了全斷面和二臺(tái)階法對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性影響，得到全斷面開挖更有利于控制圍巖變形；肖楊等［7］采用FLAC 3D軟件模擬分析了某連拱隧道在相同超前小導(dǎo)管和不同初期支護(hù)厚度下圍巖的變形特征及初支結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化；秦苛等［8］采用數(shù)值模擬的方法分析了仰拱、二襯和掌子面三者之間不同的施工步距對(duì)隧道圍巖的變形影響，認(rèn)為三者之間的安全施工步距可以按規(guī)范要求的圍巖變形極限值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；楊永斌等［9］結(jié)合翁多隧道具體施工，分析現(xiàn)場(chǎng)對(duì)“三臺(tái)階+微樁鎖腳”的監(jiān)測(cè)結(jié)果，探析了隧道初支結(jié)構(gòu)和圍巖的應(yīng)力變化及變形特征；望紫云［10］采用數(shù)值模擬的方法，提出了隧道在泥巖環(huán)境中支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化方案。

綜上所述，大多數(shù)學(xué)者比較傾向于新奧法對(duì)軟弱圍巖進(jìn)行加固，或采用新奧法的開挖方法來穩(wěn)定軟弱圍巖掌子面，而對(duì)新意法的理念研究及應(yīng)用較少。本文基于新意法的理念，依托廣西某淺埋軟弱圍巖隧道工程，采用數(shù)值模擬的方法，分析了軟弱圍巖隧道全斷面開挖時(shí)掌子面超前玻璃纖維錨桿支護(hù)參數(shù)（支護(hù)密度B、加固長(zhǎng)度l和搭接長(zhǎng)度la）對(duì)掌子面圍巖變形影響。

1模型建立及參數(shù)設(shè)置

本文依托廣西某淺埋軟弱圍巖隧道工程，隧道全長(zhǎng)6 984 m，隧道地處侵蝕剝蝕低山丘陵區(qū)地形波狀起伏底面高程為114～260 m，相對(duì)高差為144 m，最大埋深154 m；自然坡度為20°～50°，局部陡峻，隧道設(shè)計(jì)為雙線單洞。隧道地表覆蓋第四系全新統(tǒng)坡洪積軟質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、坡殘積粉質(zhì)黏土；下伏基巖為白堊系大坡組砂巖、泥質(zhì)砂巖夾含礫砂巖和白堊系下統(tǒng)新隆組泥質(zhì)砂巖。研究段隧道埋深約74 m，隧道穿越地層主要為砂巖，圍巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

采用FLAC 3D軟件進(jìn)行建模，模型尺寸x方向?yàn)?0 m，y方向?yàn)?0 m，z方向?yàn)?0 m，隧道開挖高度為9.8 m，隧道跨度8.9 m，具體模型如圖1所示，圍巖采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，隧道開挖采用1模型；超前玻璃纖維錨桿直徑為22 mm，初期支護(hù)采用彈性本構(gòu)模型，初期支護(hù)厚度為20 cm。支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

2工況設(shè)置

為減弱模型產(chǎn)生的邊界效應(yīng)，隧道在開挖并初支至y=10 m處，開始施作掌子面玻璃纖維錨桿，y=10 m處為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置起點(diǎn)。

（1）為分析掌子面玻璃纖維錨桿密度B（掌子面每平方米玻璃纖維錨桿數(shù)量）對(duì)隧道掌子面前方圍巖穩(wěn)定性影響，設(shè)置分析工況如表3所示。

（2）為分析掌子面玻璃纖維錨桿加固長(zhǎng)度對(duì)隧道掌子面前方圍巖穩(wěn)定性影響，設(shè)置分析工況如表4所示。

（3）為分析掌子面玻璃纖維錨桿搭接長(zhǎng)度對(duì)隧道掌子面前方圍巖穩(wěn)定性影響，設(shè)置分析工況如表5所示。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1掌子面玻璃纖維錨桿密度分析

通過對(duì)不同玻璃纖維錨桿加固密度進(jìn)行模擬計(jì)算，分別得到掌子面拱頂處前方z向位移、掌子面中心處前方y(tǒng)向位移以及掌子面的擠出位移，如圖2～4所示。

由圖2～4可知：（1）隨著B增大，掌子面拱頂處前方各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的z向位移逐漸減小，各工況最大z向位移均發(fā)生在11 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，依次為12.9 mm、10.4 mm、9.0 mm、8.2 mm和7.6 mm，相對(duì)于B=0.4，其余各工況最大z向位移依次減小19.4%、30.2%、36.4%和41.1%；距離掌子面越遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其位移越小，并逐漸趨于0 mm；（2）隨著B增大，掌子面中心處前方各監(jiān)測(cè)點(diǎn)y向位移逐漸減小，各工況最大y向位移均發(fā)生在掌子面處，依次為40.5 mm、31.6 mm、27.8 mm、24.3 mm和22.0 mm，相對(duì)于B=0.4，其余各工況最大y向位移依次減小22.0%、31.4%、40.0%和45.7%；距離掌子面越遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其位移越小，并逐漸趨于0 mm；（3）隨著B增大，掌子面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的擠出位移逐漸減小，各工況最大擠出位移依次為46.2 mm、32.2 mm、28.3 mm、24.9 mm和22.6 mm，相對(duì)于B=0.4，其余各工況最大擠出位移依次減小30.3%、38.7%、46.1%和51.1%，較大的擠出位移發(fā)生在掌子面中部，距離開挖輪廓線越近，擠出位移越小。

綜上所述，考慮隧道施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)掌子面玻璃纖維錨桿密度B=0.8時(shí)較為合理。

3.2掌子面玻璃纖維錨桿加固長(zhǎng)度分析

通過對(duì)玻璃纖維錨桿不同加固長(zhǎng)度進(jìn)行模擬計(jì)算，分別得到掌子面拱頂處前方z向位移、掌子面中心處前方y(tǒng)向位移、掌子面的擠出位移和玻璃纖維錨桿的軸向應(yīng)力，如下頁圖5～8所示。

由圖5～8可知：（1）隨著l增大，掌子面拱頂處前方各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的z向位移、掌子面中心處前方各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的y向位移和掌子面的擠出位移基本沒有變化；意味著當(dāng)l≥7 m時(shí)，繼續(xù)加長(zhǎng)玻璃纖維錨桿長(zhǎng)度，錨桿對(duì)隧道掌子面前方圍巖變形的約束效果不會(huì)增加；（2）隨著l增大，玻璃纖維錨桿的軸向應(yīng)力先增大，當(dāng)l≥12 m后趨于穩(wěn)定。

綜上所述，為了盡可能發(fā)揮玻璃纖維錨桿的抗拉特性，又兼顧施工效率和周期，確定合理的加固長(zhǎng)度為15 m。

3.3掌子面玻璃纖維錨桿搭接長(zhǎng)度分析

通過對(duì)玻璃纖維錨桿不同搭接長(zhǎng)度進(jìn)行模擬計(jì)算，分別得到掌子面拱頂處前方z向位移、掌子面中心處前方y(tǒng)向位移和掌子面的擠出位移，如圖9～11所示。

由圖9～11可知：（1）隨著搭接長(zhǎng)度la增大，掌子面拱頂處前方各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的z向位移逐漸減小，各工況最大z向位移均發(fā)生在監(jiān)測(cè)點(diǎn)11 m處，依次為16.6 mm、12.5 mm、10.5 mm、9.7 mm和9.2 mm，相對(duì)于la=2 m，其余各工況最大z向位移依次減小24.7%、36.7%、41.6%和44.6%；距離掌子面越遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其位移越小，并逐漸趨于0 mm；（2）隨著la增大，掌子面中心處前方各監(jiān)測(cè)點(diǎn)y向位移逐漸減小，各工況最大y向位移均發(fā)生在掌子面處，依次為65.3 mm、48.4 mm、37.7 mm、32.0 mm和29.3 mm，相對(duì)于la=2 m，其余各工況最大y向位移依次減小25.9%、42.3%、51.0%和55.1%；距離掌子面越遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其位移越小，并逐漸趨于0 mm；（3）隨著la增大，掌子面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的擠出位移逐漸減小，各工況最大擠出位移依次為65.3 mm、48.6 mm、37.9 mm、32.3 mm和29.7 mm，相對(duì)于la=2 m，其余各工況最大擠出位移的依次減小25.6%、42.0%、50.5%和54.5%。

另外掌子面加固存在一個(gè)最小的加固范圍，可以用式（1）表示［11］：

la=H×tan（45°-φ/2）（1）

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到掌子面最小加固范圍為5.89 m。

綜上所述，考慮隧道施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性，取掌子面玻璃纖維錨桿搭接長(zhǎng)度la=6.0 m較為合理。

4結(jié)語

本文基于新意法的理念，依托廣西某淺埋軟弱圍巖隧道工程，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)掌子面超前玻璃纖維錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

（1）隨著B或la的增加，掌子面拱頂前方和中心前方的預(yù)收斂變形逐漸減小，掌子面的擠出位移逐漸減小，且減小幅度逐漸降低。

（2）隨著l的增加，掌子面拱頂前方和中心前方的預(yù)收斂變形及掌子面的擠出位移變化不明顯，但玻璃纖維錨桿的軸向應(yīng)力先增大后趨于平穩(wěn)。

（3）得到了該工程較為合理的超前玻璃纖維錨桿支護(hù)參數(shù)。

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作者簡(jiǎn)介：莫文校（1986—），工程師，主要研究方向：隧道施工建設(shè)與管理。

收稿日期：2024-05-16