軟弱圍巖隧道支護(hù)方法對(duì)比與效果分析

汪正宏

(安徽省黃山市公路管理局 黃山分局，安徽 黃山 245700)

軟弱圍巖隧道支護(hù)方法對(duì)比與效果分析

汪正宏

(安徽省黃山市公路管理局 黃山分局，安徽 黃山 245700)

文章結(jié)合深埋隧道軟弱圍巖支護(hù)要求，具體闡述了常規(guī)噴錨支護(hù)與錨注聯(lián)合這兩種支護(hù)方式下的圍巖水平位移、邊墻水平位移、拱頂及隧底豎向位移、沉降等方面的對(duì)比，并提出適合大埋深、軟弱破碎圍巖隧道的支護(hù)技術(shù)，為同類(lèi)工程提供參考。

隧道圍巖；支護(hù)設(shè)計(jì)；計(jì)算分析

0 引 言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了迅猛發(fā)展，一大批公路、鐵路和地下軌道交通工程及水利水電工程建設(shè)項(xiàng)目紛紛開(kāi)工建設(shè)。通常，這些工程建設(shè)項(xiàng)目大多面臨不良地質(zhì)條件，如軟弱圍巖、高地應(yīng)力等。

軟弱圍巖處治不當(dāng)將造成結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、變形以及初期支護(hù)侵入二次襯砌、甚至坍方的病害[1]，給工程建設(shè)及運(yùn)行安全帶來(lái)。為此，軟弱圍巖的支護(hù)研究一直是地下工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這一方面取得豐碩的成果。文獻(xiàn)[2]研究了隧道軟弱圍巖變形特征與控制方法，文獻(xiàn)[3]研究了公路隧道穿越軟弱圍巖的變形與控制方法、文獻(xiàn)[4]研究軟弱圍巖大斷面隧道徑向注漿變形的控制技術(shù)。盡管這些研究已取得一定成果，在軟弱圍巖地段，通常會(huì)采用噴錨+拱架支護(hù)進(jìn)行施工，雖然支護(hù)質(zhì)量有保證，但仍會(huì)出現(xiàn)變形過(guò)大、坍塌，甚至大的安全事故等；加上我國(guó)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，因此應(yīng)加強(qiáng)軟弱圍巖不同支護(hù)方法的研究。

1 大埋深軟弱圍巖隧道支護(hù)要求分析

目前有關(guān)深埋洞室開(kāi)挖后應(yīng)力狀態(tài)的彈塑性解析分析多建立在洞室為圓形、側(cè)壓系數(shù)λ=1、只考慮地層自重產(chǎn)生的初始應(yīng)力場(chǎng)的條件。按照彈塑性力學(xué)的基本原理[5],側(cè)壓系數(shù)λ=1、圓形洞室(如圖1所示)的圍巖塑性區(qū)半徑rp和洞壁周邊徑向位移u按下列各式計(jì)算。

圖1 隧道力學(xué)模型

(1)

(2)

由Coulomb-Mohr強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則可得

(3)

(4)

(5)

按照文獻(xiàn)[6]的相關(guān)規(guī)定,Ⅴ級(jí)圍巖的力學(xué)參數(shù)為:φ<27°,c<0.2 MPa,E<1.3 GPa,μ>0.35。參照Ⅴ級(jí)圍巖的力學(xué)參數(shù)μ=0.35,φ=20°,σc/E=0.65/1 300=0.000 5,將(5)式變換后可得支護(hù)抗力比(Pi/P0)、圍巖強(qiáng)度比(σc/P0)與洞壁徑向相對(duì)位移(μ/r0)的關(guān)系式如下:

以σc/P0為橫軸,u/r0為縱軸作出Pi/P0=0.05,0.1,0.15,0.20時(shí)μ/r0與σc/P0的關(guān)系,如圖2所示。

圖2 u/r0與σc/P0關(guān)系曲線(xiàn)

由圖2可看出:① 洞壁徑向相對(duì)位移(u/r0)隨圍巖強(qiáng)度比(σc/P0)降低明顯增大;圍巖強(qiáng)度比越低,洞壁徑向相對(duì)位移隨圍巖強(qiáng)度比降低而增長(zhǎng)的幅度越大。② 當(dāng)σc/P0<0.1時(shí),洞壁徑向相對(duì)位移隨圍巖強(qiáng)度比的降低急劇增大,支護(hù)強(qiáng)度比(Pi/P0)越小,上述趨勢(shì)越明顯。③ 在σc/P0<0.1條件下,當(dāng)Pi/P0<0.1時(shí)洞壁徑向相對(duì)位移隨支護(hù)強(qiáng)度比的增大急劇減小;Pi/P0>0.1時(shí),洞壁徑向相對(duì)位移隨支護(hù)強(qiáng)度比增加而降低的幅度明顯減小。

按照Ⅴ級(jí)圍巖的力學(xué)參數(shù):φ<27°,c<0.2 MPa,由Coulomb-Mohr強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則可得其單軸抗壓強(qiáng)度σc<0.65 MPa。當(dāng)隧道埋深大于290 m時(shí)按自重應(yīng)力計(jì)算的初始地應(yīng)力P0≥6.5 MPa(圍巖平均容重按23 kN/m3計(jì)算),則σc/P0≤0.1。

隨著隧道埋深的增加,初始地應(yīng)力P0逐漸增大,大埋深條件下初始地應(yīng)力P0往往很大,可達(dá)十幾至幾十兆帕,而支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的支護(hù)力Pi一般都在1 MPa以下,故圖2中Pi/P0的值一般不超過(guò)0.1。

上述分析表明:對(duì)隧道埋深大于290 m的Ⅴ級(jí)圍巖而言,提高圍巖強(qiáng)度對(duì)控制洞室變形有十分顯著的效果,在Pi/P0<0.1條件下,適當(dāng)提高支護(hù)力對(duì)控制洞室變形也有較明顯的作用;大埋深條件下,僅靠提高支護(hù)力Pi來(lái)控制軟弱、破碎圍巖的洞室變形,作用非常有限且不經(jīng)濟(jì)。在此條件下,軟弱、破碎圍巖的洞室支護(hù)宜選擇以提高圍巖強(qiáng)度為主并適當(dāng)提高支護(hù)力的方法,通過(guò)提高圍巖的“自承”能力來(lái)達(dá)到控制圍巖變形、保證洞室穩(wěn)定的目的。

2 錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

錨注聯(lián)合支護(hù)是從工藝上把錨桿支護(hù)和圍巖注漿加固有機(jī)結(jié)合起來(lái)，充分利用錨桿與注漿加固的優(yōu)點(diǎn)，利用管式錨桿兼作注漿管，通過(guò)注漿提高圍巖強(qiáng)度和錨桿錨固力，錨桿錨固力提高后支護(hù)力也得到相應(yīng)提高，從而全面調(diào)動(dòng)圍巖自身的承載能力。錨注聯(lián)合支護(hù)從技術(shù)和工藝上可實(shí)現(xiàn)大埋深條件下，軟弱、破碎圍巖洞室以提高圍巖強(qiáng)度為主、適當(dāng)提高支護(hù)力為輔的支護(hù)思想，是目前解決大埋深條件下軟弱、破碎圍巖支護(hù)難題的最有效手段[7-8]。文獻(xiàn)[9-11]對(duì)錨注聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行研究，均認(rèn)為錨注支護(hù)是將錨噴支護(hù)與注漿加固有機(jī)結(jié)合的一種主動(dòng)支護(hù)方法，錨注支護(hù)對(duì)維護(hù)軟弱、破碎圍巖的穩(wěn)定具有顯著效果。

注漿對(duì)提高軟弱圍巖自身承載力能力的作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[12]：① 圍巖注漿后，力學(xué)參數(shù)C，φ與未注漿條件下相比有明顯提高。巖體注漿后，其粘聚力較原來(lái)增加40%～70%。由于漿液更易于在巖體結(jié)構(gòu)面中滲透，漿液凝結(jié)后對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行充填，將被結(jié)構(gòu)面切割的小塊巖石“包裹”和膠結(jié)起來(lái)，提高了結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，從而提高了巖體強(qiáng)度。巖體強(qiáng)度提高后，被其包裹的錨桿因?yàn)橛锌煽康闹A(chǔ)，錨固力也得到相應(yīng)提高。② 注漿加固降低了巖體的宏觀孔隙率，提高了巖體的致密性，改善了巖體的宏觀力學(xué)性質(zhì)。③ 注漿改善了圍巖的賦存環(huán)境，漿液固結(jié)體封閉裂隙，阻止水氣對(duì)圍巖的水解風(fēng)化，改善圍巖長(zhǎng)期力學(xué)性質(zhì)。

3 深埋軟弱圍巖隧道錨注支護(hù)效果

3.1 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算斷面隧道埋深310 m,該斷面圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí),以弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主,巖體破碎、節(jié)理發(fā)育,巖體點(diǎn)荷載強(qiáng)度0.8 MPa,屬典型的軟弱、破碎圍巖。錨注聯(lián)合支護(hù)的效果通過(guò)與普通噴錨支護(hù)的對(duì)比分析來(lái)實(shí)現(xiàn)。為便于支護(hù)效果的對(duì)比分析,普通噴錨支護(hù)與錨注聯(lián)合支護(hù)的支護(hù)參數(shù)相同,即:錨桿直徑均為22,間距1.0 m(環(huán)向)×1.0 m(縱向),長(zhǎng)5.0 m;噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25,厚20 cm,鋼拱架(Ⅰ20a)間距80 cm。錨注聯(lián)合支護(hù)注漿加固圈厚度按與管式錨桿的長(zhǎng)度相等考慮。常規(guī)噴錨支護(hù)、錨注聯(lián)合支護(hù)下圍巖水平、豎向位移如圖3、圖4所示。

圖3 兩種支護(hù)方式下圍巖水平位移云圖

由圖3可看出:錨注聯(lián)合支護(hù)下圍巖的水平位移明顯比常規(guī)噴錨支護(hù)的小。兩種支護(hù)方式下隧道邊墻的水平位移見(jiàn)表1所列。

表1 兩種支護(hù)方式下邊墻水平位移對(duì)比

由表1可看出:錨注聯(lián)合支護(hù)下的邊墻水平位移明顯比常規(guī)噴錨支護(hù)的小,錨注聯(lián)合支護(hù)與常規(guī)噴錨支護(hù)相比邊墻收斂變形可減少60%以上。

圖4 兩種支護(hù)方式下圍巖豎向位移云圖

由圖4可看出:錨注聯(lián)合支護(hù)下的洞室豎向位移明顯比常規(guī)噴錨支護(hù)的小。兩種支護(hù)方式下拱頂、隧底的豎向位移見(jiàn)表2所列。

表2 兩種支護(hù)方式下拱頂、隧底豎向位移對(duì)比

由表2可看出:錨注聯(lián)合支護(hù)下洞室的豎向位移及凈空收斂明顯比常規(guī)噴錨支護(hù)的小,與常規(guī)噴錨支護(hù)相比,錨注聯(lián)合支護(hù)的豎向收斂位移可減少40%以上。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料分析

為檢驗(yàn)錨注聯(lián)合支護(hù)在大埋深隧道軟弱、破碎圍巖段的支護(hù)效果,在該隧道上述埋深300～320 m的Ⅴ級(jí)圍巖段選取10 m試驗(yàn)段施作錨注聯(lián)合支護(hù)并與鄰近的采用常規(guī)噴錨支護(hù)地段的洞室位移進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),作出錨注聯(lián)合支護(hù)、常規(guī)噴錨支護(hù)典型斷面的邊墻收斂、拱頂下沉歷時(shí)曲線(xiàn),如圖5、圖6所示。

由圖5可以看出:在開(kāi)始的前5天,錨注聯(lián)合支護(hù)斷面與常規(guī)噴錨支護(hù)斷面的邊墻收斂數(shù)值及變化趨勢(shì)大致相同;5 d以后,二者出現(xiàn)明顯差異,錨注聯(lián)合支護(hù)斷面在11 d后變形達(dá)到穩(wěn)定,最大收斂變形為60 mm,常規(guī)噴錨支護(hù)斷面在35 d后變形才達(dá)到基本穩(wěn)定,最大收斂變形達(dá)122 mm。由圖6可看出:在開(kāi)始的前4天,錨注聯(lián)合支護(hù)斷面與常規(guī)噴錨支護(hù)斷面的拱頂下沉數(shù)值及變化趨勢(shì)大致相同;4 d以后,二者出現(xiàn)明顯差異,錨注聯(lián)合支護(hù)斷面在15 d后變形達(dá)到穩(wěn)定,拱頂下沉最大值為31 mm,常規(guī)噴錨支護(hù)斷面在35 d后才變形達(dá)到基本穩(wěn)定,拱頂下沉最大值達(dá)63 mm。

圖5 兩種支護(hù)方式邊墻收斂歷時(shí)曲線(xiàn)

圖6 不同支護(hù)方式拱頂下沉降歷時(shí)曲線(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,錨注聯(lián)合支護(hù)與常規(guī)噴錨支護(hù)相比,洞室變形明顯減小,變形達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間明顯縮短;錨注聯(lián)合支護(hù)對(duì)大埋深隧道軟弱、破碎圍巖變形有很好的控制效果。數(shù)值計(jì)算結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料均表明:錨注聯(lián)合支護(hù)對(duì)大埋深、軟弱破碎圍巖隧道有較好的支護(hù)效果,適宜于大埋深條件下軟弱、破碎圍巖隧道的支護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

解析分析表明,在大埋深條件下,軟弱、破碎圍巖隧道支護(hù)宜選擇以提高圍巖強(qiáng)度為主、適當(dāng)提高支護(hù)力為輔的支護(hù)方法,通過(guò)提高圍巖的“自承”能力來(lái)達(dá)到控制圍巖變形、保證洞室穩(wěn)定的目的。數(shù)值計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料表明,利用管式錨桿兼作注漿管,通過(guò)注漿加固提高圍巖強(qiáng)度和錨桿錨固力的錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對(duì)大埋深條件下軟弱、破碎圍巖隧道有較好的支護(hù)效果,適宜于大埋深條件下軟弱、破碎圍巖隧道的支護(hù)。

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2016-10-26；修改日期：2016-10-31

汪正宏(1971-)，男，安徽歙縣人，安徽省黃山市公路管理局黃山分局工程師．

U455.7

A

1673-5781(2016)05-0682-04