分岔小凈距隧道中巖墻加固技術(shù)研究

摘要：為研究分岔小凈距隧道中巖墻加固技術(shù)，文章以重慶火鳳山城市公路隧道分岔小凈距段為依托，采用有限差分軟件FLAC 3D對(duì)比分析不同加固方式下中巖墻的力學(xué)行為和加固效果。結(jié)果表明：對(duì)拉錨桿+長(zhǎng)錨桿的加固方式均能使隧道水平位移明顯減少，并能夠保證中巖墻不因應(yīng)力過(guò)大而造成破壞；中巖墻經(jīng)加固后承受了更多的內(nèi)力，使得初期支護(hù)承擔(dān)的內(nèi)力比減少，且隨著加固強(qiáng)度的增加效果更加明顯，對(duì)結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用；對(duì)拉預(yù)應(yīng)力錨桿+長(zhǎng)錨桿加固方式對(duì)圍巖塑性區(qū)發(fā)展的控制效果好，整體上為彈性變形階段且分布連貫。

關(guān)鍵詞：道路工程；隧道；分岔小凈距；工程施工

中文分類號(hào)：U457+.3A551833

0引言

隨著西部山區(qū)公路交通建設(shè)的推進(jìn)，分岔小凈距隧道因不受地形條件以及總體線路線形的限制，相較于連拱隧道施工具有工藝簡(jiǎn)單、防水效果好、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。而中巖墻作為分岔小凈距隧道的關(guān)鍵部位，一直以來(lái)存在施工過(guò)程中其圍巖穩(wěn)定性難以得到保證、工程造價(jià)高、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)的耐久性和有效性不佳等問(wèn)題。其中，其施工期地表下陷、洞口和掌子面塌方、拱頂懸垂與塌落、中巖柱及拱腰突出與滑移、底拱鼓脹與隆起等中巖墻失穩(wěn)現(xiàn)象尤為突出。為此，許多學(xué)者針對(duì)中巖墻的穩(wěn)定性和加固措施展開(kāi)了研究。

嚴(yán)石生等［1］提出了非對(duì)稱小凈距隧道中巖墻穩(wěn)定性判別式，采用錨桿和注漿聯(lián)合加固的方式能降低塑性區(qū)貫通的風(fēng)險(xiǎn)；趙秀紹等［2］的研究表明，當(dāng)中巖墻厚度小于0.75B時(shí)，中巖墻塑性區(qū)范圍急劇擴(kuò)大，在D/B=0.5時(shí)，對(duì)中巖墻進(jìn)行注漿加固處理可極大地降低初支受力，并大大地提高了圍巖穩(wěn)定性；姚勇等［3］認(rèn)為初期支護(hù)的及時(shí)跟進(jìn)，可有效抑制洞周和中夾巖墻塑性區(qū)的發(fā)展，并提出針對(duì)不同級(jí)別圍巖的中巖墻加固措施；孫景鳳等［4］研究認(rèn)為在中巖墻采取注漿加固和對(duì)拉錨桿加固的措施條件下，中巖墻的水平位移和豎向位移均較小，在設(shè)計(jì)規(guī)范允許范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)采用的開(kāi)挖支護(hù)方案是安全可行的。不難發(fā)現(xiàn)，目前針對(duì)“分岔小凈距隧道中巖墻不同加固措施對(duì)中巖墻的穩(wěn)定性影響”仍缺乏系統(tǒng)研究。

本文依托重慶火鳳山隧道，通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬分岔小凈距段隧道的開(kāi)挖和加固過(guò)程，對(duì)比分析不同中巖墻加固方式下的中巖墻的位移和應(yīng)力分布規(guī)律以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性，得出了適宜的中巖墻加固方法。

1工程概況

火鳳山隧道屬于重慶曾家?guī)r北延伸穿越跨內(nèi)環(huán)新增通道的重點(diǎn)控制工程，為雙洞單線城市公路隧道，左右線為三車道，建筑限界寬度為13.25 m。其左右主線隧道分別與兩處連接線相連，共同構(gòu)成“Y”字形分岔小凈距隧道。如圖1所示。

2數(shù)值模型的建立

使用FLAC 3D軟件模擬隧道左線開(kāi)挖加固過(guò)程。三維網(wǎng)格模型如圖2和下頁(yè)圖3所示，沿隧道縱向取80 m，模型寬175 m、高113 m左右，模型上部延伸至地表。隧道圍巖采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的實(shí)體單元，初期支護(hù)中的鋼筋網(wǎng)和鋼拱架彈性模量通過(guò)等效折算給噴射混凝土的shell結(jié)構(gòu)單元，系統(tǒng)錨桿、長(zhǎng)錨桿、普通對(duì)拉錨桿和對(duì)拉預(yù)應(yīng)力錨桿均采用cable結(jié)構(gòu)單元，如下頁(yè)圖4所示。不同中巖墻厚度處的錨桿長(zhǎng)度不同。計(jì)算時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮噴錨支護(hù)和二次襯砌的作用。

本文主要研究分岔小凈距隧道中巖墻在不同錨桿加固措施下的效果，在隧道各段均設(shè)置系統(tǒng)錨桿的基礎(chǔ)上，分岔小凈距段另有加固錨桿，包括長(zhǎng)錨桿、普通對(duì)拉錨桿和對(duì)拉預(yù)應(yīng)力錨桿，均采用25 mm砂漿錨桿。計(jì)算時(shí)采用的工況和參數(shù)如表1和表2所示。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1中巖墻位移

如圖5所示為中巖墻位移特征點(diǎn)布置圖，如圖6所示為中巖墻水平位移分布曲線。由圖6可知，連接線洞周特征點(diǎn)5至特征點(diǎn)7，最大水平位移絕對(duì)值由2.2 mm減少到1.35 mm，主線洞周特征點(diǎn)15至特征點(diǎn)17，最大水平位移由2.8 mm減少到1.5 mm。因此，中巖墻加固后開(kāi)挖能很好地控制中巖墻的水平位移，而采用普通對(duì)拉錨桿或?qū)A(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)水平位移的影響效果幾乎相同。

3.2中巖墻應(yīng)力

如圖7所示為中巖墻最小主應(yīng)力云圖，從圖7可以看出，墻腰為相對(duì)受力較大的區(qū)域，由于分岔段連接線隧道與主線隧道的凈距很小，故加固前后墻腰均出現(xiàn)了較強(qiáng)的受壓狀態(tài)，外部應(yīng)力值為-7.00～-5.00 MPa，中巖墻上部和下部受力相對(duì)較小，＜-1.00 MPa，且靠近連接線一側(cè)的中巖墻受力值更大。

工況一下墻腰位置，中巖墻內(nèi)部受力相對(duì)外部較小，從圖中可以看出中巖墻內(nèi)外受力差異明顯，內(nèi)部應(yīng)力呈現(xiàn)上下貫通的分布趨勢(shì)，應(yīng)力值為-2.00 MPa，為外部應(yīng)力值最大值的30%左右。在該工況下，中巖墻相對(duì)薄弱的墻腰位置應(yīng)力分布不均勻，受力狀態(tài)較差。與工況一相比，工況二、三的中巖墻應(yīng)力值較大，且墻腰內(nèi)部應(yīng)力增長(zhǎng)幅度較大，墻腰至墻腳為應(yīng)力主要影響區(qū)域。通過(guò)對(duì)比兩種加固方式可以看出，對(duì)拉預(yù)應(yīng)力錨桿加固后的中巖墻拱腰應(yīng)力分布更均勻，墻腰整體應(yīng)力值范圍為-7.00～-4.00 MPa。

3.3錨桿軸力

如圖8和圖9所示為工況二和工況三的加固錨桿軸力云圖。由圖8可知，采用工況二加固時(shí)對(duì)拉錨桿的最大受力值為27.04 kN，由于中巖墻厚度沿縱向逐漸增大，對(duì)拉錨桿設(shè)置時(shí)也相應(yīng)地不斷增長(zhǎng)，中巖墻較薄位置對(duì)拉錨桿軸力值較小，為7.5 kN左右；在分岔小凈距區(qū)末端，對(duì)拉錨桿長(zhǎng)度為6.5 m左右，軸力也增大到最大值，其中巖墻腰位置的錨桿受力相對(duì)較大。上部長(zhǎng)錨桿軸力最大值為16.34 kN左右，主線隧道上方錨桿受力相對(duì)連接線較大，錨桿軸力值均為正值，表面錨桿處于受拉狀態(tài)，能夠起到懸吊加固作用，減小隧道的豎向位移。

由圖9可知，采用工況三加固時(shí)中巖墻位置對(duì)拉錨桿的軸力較大，隨著中巖墻厚度增加而不斷增大，最大軸力值達(dá)115 kN，說(shuō)明隧道開(kāi)挖后預(yù)應(yīng)力對(duì)中巖墻的加固效應(yīng)明顯；隧道頂部的長(zhǎng)錨桿受力分布與工況二下的相似。

3.4圍巖塑性區(qū)

如圖10所示為小凈距隧道開(kāi)挖后不同工況下的圍巖塑性區(qū)分布云圖，從圖10（a）可以看出，由于小凈距區(qū)離分岔交界面較近，中巖墻未加固時(shí)小凈距隧道開(kāi)挖后圍巖曾出現(xiàn)大范圍的剪切破壞，隧道拱頂處出現(xiàn)過(guò)剪切破壞和拉伸破壞，主線隧道底部部分區(qū)域出現(xiàn)剪切破壞狀態(tài)。從小凈距隧道修建中的中巖墻塑性區(qū)不連通準(zhǔn)則來(lái)看，不加固時(shí)隧道容易出現(xiàn)整體失穩(wěn)，故需要對(duì)中巖墻采取合理的加固措施。

從圖10（b）和圖10（c）可以看出，中巖墻加固后，位于加固區(qū)內(nèi)的中巖墻在隧道開(kāi)挖過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)塑性破壞，說(shuō)明對(duì)拉錨桿加固能有效提高中巖墻抵抗塑性破壞的能力，能保證中巖墻承載能力得到充分發(fā)揮，提高小凈距隧道的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)比兩種加固方式的塑性區(qū)分布可以看出，對(duì)拉預(yù)應(yīng)力錨桿加固后超小凈距區(qū)內(nèi)隧道中巖墻塑性破壞區(qū)域較小，整體上為彈性變形階段且分布連貫，而普通對(duì)拉錨桿加固后中巖墻仍出現(xiàn)較大范圍的塑性變形，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力對(duì)拉錨桿加固對(duì)于減少塑性變形的效果更好。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)火鳳山隧道左線分岔小凈距隧道中巖墻在不同加固方式下的力學(xué)行為、加固效果進(jìn)行了研究，得出結(jié)論如下：

（1）中巖墻加固后，隧道水平位移明顯減少，其中預(yù)應(yīng)力對(duì)拉錨桿加固對(duì)水平位移的控制效果更好。

（2）兩種加固方式均能夠保證中巖墻不因應(yīng)力過(guò)大而造成破壞，保證了小凈距隧道開(kāi)挖的安全穩(wěn)定特性，其中預(yù)應(yīng)力對(duì)拉錨桿能使墻腰和墻腳受力分布更加均勻合理。

（3）根據(jù)錨桿軸力，中巖墻承受了更多的內(nèi)力，變形量更小，使得初期支護(hù)承擔(dān)的內(nèi)力比減少，且隨著加固強(qiáng)度的增加效果更加明顯，對(duì)結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用，提高了分岔小凈距隧道的施工安全性。

（4）對(duì)拉預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)圍巖塑性區(qū)發(fā)展的控制效果好，整體上為彈性變形階段且分布連貫。

綜合以上結(jié)果分析可知，對(duì)拉預(yù)應(yīng)力錨桿+長(zhǎng)錨桿加固方式對(duì)提高中巖墻穩(wěn)定性較好，能夠有效保障小凈距隧道開(kāi)挖的安全性。

參考文獻(xiàn)：

［1］嚴(yán)石生，傅鶴林，宋中華，等.小凈距隧道中巖墻穩(wěn)定性分析［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2021，41（7）：113-117.

［2］趙秀紹，莊錦彬，徐長(zhǎng)節(jié)，等.淺覆大跨度小凈距隧道中巖墻及初支力學(xué)特性研究［J］.公路交通科技，2015，32（12）：100-107.

［3］姚勇，何川，謝卓雄.雙線小凈距隧道中巖墻力學(xué)特征及加固措施研究［J］.巖土力學(xué)，2007（9）：1 883-1 888.

［4］孫景鳳，李文華，董亥興，等.超小凈距大跨度隧道巖柱穩(wěn)定性分析［J］.中外公路，2014，34（2）：210-214.

作者簡(jiǎn)介：蒲國(guó)偉（1982—），高級(jí)工程師，主要從事工程建設(shè)管理工作。