錨桿長度對散巖堆積體中隧道洞口段穩(wěn)定性的影響研究

胡恩來

摘要：針對松散堆積體地層，隧道施工出現(xiàn)大量的安全事故，大變形和塌方事故不可避免，因此有必要進一步針對此類地層條件下的隧道施工技術開展深入的研究，從而為高速公路隧道的安全、快速施工提供重要保障。為此，文章開展數(shù)值模擬，研究了錨桿長度對維持散巖堆積體中隧道洞口段穩(wěn)定性的影響。結果表明：隧道在開挖過程中，左線隧道的豎向位移表現(xiàn)出拱肩>拱頂>拱底的分布規(guī)律，右線位移表現(xiàn)出拱底>拱頂>拱肩的分布規(guī)律;錨桿越長，錨桿的軸力就越大，對圍巖的錨固效果就越好，對初支應力有一定的改善;拱頂受拉錨桿對拱頂?shù)某两涤行》母纳?，但是邊墻處受壓，錨桿則對洞周水平收斂沒有幫助。

關鍵詞：散巖堆積體;錨桿長度;圍巖穩(wěn)定性;數(shù)值模擬

中圖分類號：U453.1文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.037

文章編號：1673-4874（2021）01-0135-04

0引言

隧道可以很好地避免盤山公路帶來的公路曲折迂回、多彎道以及破壞自然環(huán)境等問題。近幾年隨著國家加大對基礎交通建設的投入，工程地質(zhì)環(huán)境也越來越復雜，因此對隧道施工技術也有更高的要求。對于大變形和塌方現(xiàn)象，這是在松散堆積體地層中施工所經(jīng)常遇見且難以避免的安全隱患，為此有必要針對在散巖堆積體地層條件下的隧道施工技術開展進一步的深入研究，從而為高速公路隧道的安全、快速施工提供重要保障。在山嶺隧道的建設過程中，如何維持散巖堆積體中隧道洞口段的穩(wěn)定性便成了一個亟待解決的重大問題。

隧道工程施工多采取新奧法，其中初期支護工程的施作質(zhì)量是新奧法施工的關鍵環(huán)節(jié)，初期支護施作時間盡量早封閉與圍巖共同組成承重環(huán)體系。王悅等[1]介紹了隧道工程支護的類型及作用，主要對錨桿施工、鋼架及大拱腳架施工、超前小導管施工、噴射混凝土施工的現(xiàn)狀進行了分析，探討了各項施工技術應注意的問題與要點，為同類工程施工積累了經(jīng)驗。崔博[2]以火燒庵隧道為工程背景，通過與大管棚做對比，將自進式錨桿注漿技術成功運用于塌方體，闡述了該方法在隧道不良地質(zhì)段落中的應用，以及自進式錨桿注漿作為塌方處理的一種工法的優(yōu)點。李善英[3]在通過分析某公路隧道穿越軟巖破碎帶時發(fā)生大變形原因的基礎上總結出了軟巖大變形防治措施，優(yōu)化了支護參數(shù)，取得了良好的效果。趙鵬[4]基于獅子嶺隧道開展了有限元分析，提出了一種對尚未發(fā)生結構性破壞區(qū)段采取“錨注一體化”并施加預應力的加固方案。劉勇[5]采用“錨桿錨索加固、注漿加固、引導排水、加強監(jiān)測”的綜合方案對隧道隆起病害段開展整治，可供散巖堆積體穩(wěn)定性工程參考。馬云長等人[6]以結構面的巖質(zhì)邊坡為例，采用ANSYS軟件進行建模與網(wǎng)格劃分，研究了巖質(zhì)邊坡坡率與滑動面傾角對錨桿效果的影響。王曉卿[7]開展了對拉錨桿索阻止結構面剪切滑移的數(shù)值試驗，研究了對拉錨桿索在原巖應力條件下對結構面剪切滑移的加固效果。封永梅[8]根據(jù)錨桿加固作用機制，分析了錨桿對巖土層間抗剪強度加固效果，獲取錨桿處于壓縮- 剪切或拉伸-剪切綜合作用下的屈服強度以及全部錨桿抗剪強度，對巖土高陡邊坡錨桿加固穩(wěn)定性和抗傾覆安全系數(shù)進行了分析。

由此可以看出，對于隧道的穩(wěn)定性問題，不外乎為控制初支厚度、鋼拱架間距、錨桿長度、二次襯砌厚度等措施。在目前國內(nèi)外對散巖堆積體中特大斷面公路隧道洞口段施工技術研究還不充分的情況下，如何采取有效措施確保隧道進洞施工安全成了亟待解決的問題。因此，在前人工作的基礎上，針對松散堆積體地層，本文通過有限差分法研究了錨桿長度對散巖堆積體中隧道洞口段穩(wěn)定性的影響，從而為高速公路隧道的安全、快速施工提供重要保障。

1工程概況

1.1工程簡介

火鳳山隧道穿越素填土區(qū)域，主要由粉質(zhì)黏土和碎、塊石組成，有少量植物根系，碎石含量為15%～50%，粒徑一般為0.2～50cm不等，母巖成分主要為泥巖、砂巖，是由附近施工工地的施工棄土就近堆填所形成，上部填土厚達21.1～33.2m，壓縮性大。原始斜坡地形總體向南東傾斜，地形坡角為32°，坡向約為144°。隧道位于土質(zhì)邊坡中部，斜坡高8～12.5m，現(xiàn)狀處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況下易沿原填土界面或填土內(nèi)部產(chǎn)生圓弧滑動，隧道的開挖可能誘發(fā)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)。ZK2+960-ZK3+110、YK2+520-YK2+655為隧道進口段，洞口自穩(wěn)能力較差，支護困難。

1.2工程地質(zhì)條件

本項目所依托工程火鳳山隧道場地內(nèi)地形地貌較復雜，水文地質(zhì)和地質(zhì)構造較簡單。區(qū)內(nèi)上覆第四系松散堆積層塊石，厚5～20m，松散至中密，現(xiàn)狀穩(wěn)定。場地地震烈度為VIII度，地震動峰值加速度為0.30g，地震反應譜特征周期為0.40，區(qū)域新構造運動強烈，地殼抬升明顯，屬抗震不利地段，有地震引起巖堆局部失穩(wěn)或表層松動的可能，同時對危巖的穩(wěn)定性也存在不利影響。隧道進口大面積覆蓋第四系崩坡積層塊石，厚度變化大，自然坡度約為38°～45°，坡面植被較發(fā)育，多為灌木和雜草組成，石質(zhì)成分為花崗巖，局部粉黏粒和砂土富集，大多呈松散至稍密狀，骨架多具架空現(xiàn)象。坡面總體向喇嘛嘴溝溝體方向傾斜，傾向約為348°～355°。該巖堆目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，不存在變形破壞跡象，但該區(qū)地震基本烈度為VIII度，地震活動頻繁。隧道開挖后，拱部圍巖自穩(wěn)能力差，自穩(wěn)時間短，無支護或支護不到位時，易產(chǎn)生掉塊或較大的坍塌等事故，局部段易冒頂，且易造成巖堆失穩(wěn)，在洞口段施工過程中，極易發(fā)生安全事故，風險性極大。

下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J₂s）泥巖夾砂巖，強風化層厚0.80～3.70m。強風化層巖體較破碎，中風化層巖體較完整。構造裂隙發(fā)育，層間結合一般，為軟巖。巖層呈單斜狀產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀為27°∠8°。巖體中構造裂隙發(fā)育，主要可見2組產(chǎn)狀：（1）12°∠51°、（2）342°∠20°。地下水主要為松散巖類孔隙水，該段線路填土分布面積大，地形平坦不易排泄，因此在雨季或受周圍生活、施工排水影響會形成較多松散巖類孔隙水，對道路邊坡穩(wěn)定性影響大。沿線無滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育。

2數(shù)值模型分析

2.1數(shù)值模型的建立

本文本構模型采用摩爾-庫倫模型，利用有限差分軟件FLAC^3D進行三維數(shù)值分析。在模型建立時，考慮隧道開挖對周邊圍巖的擾動，因此，建模時山體范圍沿隧道縱向取150m，鑒于圍巖影響范圍，模型寬度為隧道中軸線向邊側取50m，模型頂部為自然表面，模型下邊界從隧道底部延伸至以下35m處。

模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，模型上邊界為自由面（z軸向上為正），而底面為豎向約束，隧道開挖方向為y軸正方向，模型的四周圍巖外邊界面為垂直圍巖面的法向約束。

2.2材料參數(shù)的選取

按照彈塑性理論來考慮隧道圍巖情況，巖體的物理參數(shù)主要是依靠土工試驗來進行確定。實際工程中常用管棚法及小導管錨桿精心超前加固，而在數(shù)值模擬過程中為模擬加固區(qū)。通常采用的方法是提高圍巖材料參數(shù)，參數(shù)的取值有時還得根據(jù)以往的經(jīng)驗資料或者依靠經(jīng)驗類比的方法來進行確定，具體計算參數(shù)如表1所示。

2.3錨桿加固作用

錨桿是公路隧道主要的錨固方法之一，可以主動加固巖土體，控制圍巖的變形，防止出現(xiàn)坍落和掌子面坍塌的現(xiàn)象。錨桿的主要作用效果如下：

（1）懸吊作用

將不穩(wěn)定的巖體固定懸吊在深處堅固穩(wěn)定的巖層上，使其不致于掉落或者滑落。

（2）組合梁、板作用

對于水平成層圍巖，當有錨桿張拉時，由于增大了層面間的摩擦，則可以承受剪力，呈整體性的組合梁工作狀態(tài)。

（3）加強作用

對有節(jié)理、裂縫等力學不連續(xù)面的地層打進錨桿，可使松動區(qū)節(jié)理裂隙、破裂面等得以聯(lián)結，從而增大加固區(qū)圍巖的強度（即e、φ值）。

（4）支承圍巖

錨桿受壓使開挖后處于二維應力狀態(tài)的附近圍巖呈三軸應力狀態(tài)，使得隧道壁面承受切向應力的能力增大，從而呈現(xiàn)出很好的穩(wěn)定狀態(tài)。

3計算結果及分析

對于火鳳山隧道洞口段的巖堆體地層，錨桿的作用主要體現(xiàn)在加強和支撐圍巖作用，將松散的堆積體聯(lián)結成整體性較好的圍巖，以對巖體特性進行增強和改善。錨桿的長度和錨桿的間距屬于錨桿的關鍵性參數(shù)，本小節(jié)將對不同錨桿長度的開挖工況進行比較，主要分析錨桿長度為3m、4m和5m三種工況下隧道洞室的位移和錨桿自身內(nèi)力，以判斷火鳳山隧道大塊徑巖堆體地層最適宜的錨桿長度。

3.1錨桿長度為3m時的結果分析

錨桿長度為3m時，隧道拱頂產(chǎn)生較大沉降，隧道拱底產(chǎn)生較大隆起，隧道豎向位移收斂，在開挖完成30m斷面處，左線隧道拱頂沉降最大值達到了25.23mm，拱肩沉降最大值達到了28.36mm，隧道底部隆起最大值達到了15.01mm。右線隧道拱頂沉降最大值達到了18.15mm，拱肩沉降最大值達到了12.91mm，隧道底部隆起最大值達到了20.95mm。在開挖完成60m斷面處，左線隧道拱頂沉降最大值達到了3.42mm，拱肩沉降最大值達到了39.74mm，隧道底部隆起最大值達到了12.69mm。右線隧道拱頂沉降最大值達到了14.52mm，拱肩沉降最大值達到了12.98mm。隧道底部隆起最大值達到了20.08mm。隧道左線位移主要呈現(xiàn)出拱腳>拱腰>拱肩的分布規(guī)律;隧道右線位移表現(xiàn)出拱底>拱頂>拱肩的分布規(guī)律。

隨著開挖的進行，隧道埋深逐漸增加，錨桿的軸力也逐漸增大，錨桿軸力的受壓最大值均出現(xiàn)在隧道拱頂位置，錨桿軸力的受拉最大值均出現(xiàn)在隧道邊墻位置。開挖到30m時，左線隧道錨桿軸力受壓最大值達到10.51kN，受拉最大值達到4.65kN;右線隧道錨桿軸力受壓最大值達到12.24kN，受拉最大值達到5.72kN。開挖到60m時，左線隧道錨桿軸力受壓最大值達到16.66kN，受拉最大值達到5.64kN;右線隧道錨桿軸力最大值達到16.88kN，受拉最大值達到7.68kN。

3.2錨桿長度為4m時的結果分析

錨桿長度為4m時隧道拱頂產(chǎn)生較大沉降，隧道拱底產(chǎn)生較大隆起，洞周位移收斂。在開挖完成30m斷面處，左線隧道拱頂沉降最大值達到了24.63mm，拱肩沉降最大值達到了28.64mm，隧道底部隆起最大值達到了14.32mm。右線隧道拱頂沉降最大值達到了17.68mm，拱肩沉降最大值達到了12.31mm，隧道底部隆起最大值達到了20.25mm。在開挖完成60m斷面處，左線隧道拱頂沉降最大值達到了31.02mm，拱肩沉降最大值達到了39.21mm，隧道底部隆起最大值達到了12.14mm。右線隧道拱頂沉降最大值達到了14.69mm，拱肩沉降最大值達到了12.36mm，隧道底部隆起最大值達到了19.35mm。隧道左線位移主要呈現(xiàn)出拱腳>拱腰>拱肩的分布規(guī)律;隧道右線位移表現(xiàn)出拱底>拱頂>拱肩的分布規(guī)律。圍巖變形在可控制的范圍內(nèi)，且圍巖變形是收斂的，可以正常進行施工。

隨著開挖的進行，隧道埋深逐漸增加，錨桿的軸力也逐漸增大，錨桿軸力的受壓最大值均出現(xiàn)在隧道拱頂位置，錨桿軸力的受拉最大值均出現(xiàn)在隧道邊墻位置。開挖到30m時，左線隧道錨桿軸力受壓最大值達到14.61kN，受拉最大值達到7.04kN;右線隧道錨桿軸力受壓最大值達到14.88kN，受拉最大值達到9.19kN。開挖到60m時，左線隧道錨桿軸力受壓最大值達到22.98kN，受拉最大值達到7.59kN;右線隧道錨桿軸力最大值達到2.5kN，受拉最大值達到8.60kN。

3.3錨桿長度為5m時的結果分析

錨桿長度為5m時隧道拱頂產(chǎn)生較大沉降，隧道拱底產(chǎn)生較大隆起，隧道豎向位移收斂。在開挖完成30m斷面處，左線隧道拱頂沉降最大值達到了24.25mm，拱肩沉降最大值達到了28.37mm，隧道底部隆起最大值達到了1.18mm。右線隧道拱頂沉降最大值達到了17.46mm，拱肩沉降最大值達到了12.14mm，隧道底部隆起最大值達到了20.07mm。在開挖完成60m斷面處，左線隧道拱頂沉降最大值達到了30.01mm，拱肩沉降最大值達到了38.26mm，隧道底部隆起最大值達到了11.76mm。右線隧道拱頂沉降最大值達到了14.21mm，拱肩沉降最大值達到了11.98mm，隧道底部隆起最大值達到了18.56mm。隧道左線位移主要呈現(xiàn)出拱腳>拱腰>拱肩的分布規(guī)律;隧道右線位移表現(xiàn)出拱底>拱頂>拱肩的分布規(guī)律。圍巖變形在可控制的范圍內(nèi)，且圍巖變形是收斂的，可以正常進行施工。

隨著開挖的進行，隧道埋深逐漸增加，錨桿的軸力也逐漸增大，錨桿軸力的受壓最大值均出現(xiàn)在隧道拱頂位置，錨桿軸力的受拉最大值均出現(xiàn)在隧道邊墻位置。開挖到30m時，左線隧道錨桿軸力受壓最大值達到18.23kN，受拉最大值達到9.12kN;右線隧道錨桿軸力受壓最大值達到15.37kN，受拉最大值達到12.18kN。開挖到60m時，左線隧道錨桿軸力受壓最大值達到26.78kN，受拉最大值達到9.14kN;右線隧道錨桿軸力最大值達到24.05kN，受拉最大值達到9.28kN。

4結語

本文通過數(shù)值分析的方法，模擬3種不同的工況，計算和分析了在散巖堆積體中施工時隧道的豎向位移以及錨桿的受力特性，得到了如下結論：

（1）隧道在開挖過程中，左線隧道的豎向位移表現(xiàn)出拱肩，拱頂，拱底的分布規(guī)律;右線隧道位移表現(xiàn)出拱底，拱頂，拱肩的分布規(guī)律。

（2）錨桿越長，所受軸力也就越大，從而對圍巖的錨固效果就越好，對初支應力有一定的改善，并且由于拱頂打入的錨桿受拉力作用，能夠限制圍巖變形，因此拱頂?shù)某两涤兴纳?。但是邊墻處打入的錨桿受壓，因此對洞周圍巖水平收斂沒有幫助。

（3）錨桿的軸力很小，甚至局部受壓，對初支的應力改善有限，在0.3MPa左右波動，對拱頂沉降的改善在2～3cm內(nèi)，對水平收斂則無甚效果。

參考文獻

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