水工隧洞穿越斷裂層應用中通壓注錨桿的模擬分析探究

劉志明

(余干縣康山大堤管理局，江西 余干 335100)

0 引 言

穿越山嶺的水工隧洞工程經常面臨穿越復雜斷裂層的工程難題，應用壓注錨桿實施復合注漿錨固成為工程技術選擇。本文參考工程案例實用數據，借助離散元FLAC3D模擬計算分析的方式，對水工隧洞穿越斷裂層應用中通壓注錨桿課題開展專題分析探究，以期為同類工程應用中通壓注錨桿提供研究及技術參考，助力建設安全可靠的穿越斷裂層水工隧洞工程。

1 案例工程概況

案例工程系北橋水工隧洞，埋深為7.333～82.773 m，洞身為混合式砌襯。隧洞地面寬度10.75 m，高度5 m。右線樁標K51+058～K51+155段落為本研究關注的應用中通壓注漿特種錨桿作徑向錨桿區段，區間總長度97 m，其地質剖面結構狀態見圖1。

圖1 案例地質剖面結構示意圖

案例砌襯均采取新奧法設計，為應用柔性支撐防護結構的混合式砌襯體系，即以拱架、錨、噴、網等構成初期支撐防護，以模注混凝土或者鋼筋混凝土為再次砌襯，并視地質和地層基礎條件，加設小導管超前注漿防護措施配合施工。初期支撐防護錨件全部選用中通壓注漿特種錨桿，具體見圖2。

圖2 中通壓注漿特種錨桿

錨桿壁厚度5 mm，直徑為25 mm，長度3 m。其環向布設間距為100 cm，其縱向按梅花型布設，縱間距取75 cm。仰拱噴層及拱部側墻厚度均為26 cm，雙層Φ8鋼筋網規格20 cm×20 cm，模鑄C30鋼混二次砌襯厚50 cm。錨固支撐防護選用混凝土砂漿級別強度≥M30。M30混凝土砂漿加添早強劑，中通壓注漿特種錨桿為厚度5 mm的D25成品錨桿，其單體抗拉能力≥180 kN。對V級圍巖體加設輔助支護強固措施，隧洞主體進口段設置長30 m的超前管棚支撐防護，管棚選用壁厚6 mm、直徑108 mm的無縫鋼管搭建。隧洞主體施加小導管超前預強固措施，注導管選用壁厚3.5 mm、直徑4.2 mm的無縫鋼管。

2 建立數理模型

借助離散元FLAC3D圍巖體應力應變模擬計算分析系統開展數理建模。地層建模參數具體見表1，二次砌襯和混凝土噴射建模參數見表2，人工填方建模參數見表3，中通錨壓注漿支護技術參數見表4，注導管和管棚建模參數見表5。取錨桿扇形圍包區域作為中通錨壓注漿支護效力范圍，其半徑取0.5 m。設置注漿后技術參數增強程度如下：摩擦角增強1倍，黏聚力增強1倍，泊松比降低幅度取為5%，彈塑性模量設置增強0.5～1倍。

表1 地層建模參數

表3 人工填方建模參數

表4 中通錨壓注漿支護建模參數

表5 注導管和管棚建模參數

借助莫爾庫倫模型模擬圍巖體，選用彈塑性模型模擬砌襯本構。總體網絡模型見圖3，模型長度700 m，寬度100 m，高程在34.8～135.7 m之間。共計單元425 015個，節點74 115個。

圖3 總體網絡模型

選用cable構造單元模擬中通壓注漿特種錨桿。為了充分區別于普通錨桿，只考慮中通桿體受拉，設定中通混凝土注漿不參與受拉；取鋼材抗拉強度作為抗拉強度，彈塑性按錨桿斷面積等效。另外，cable跟圍巖體觸接關系設定為X、Y、Z各向剛性接連。

3 隧洞穿越斷裂層應用中通壓注錨桿的模擬分析

當掘進至Y=212洞段時，洞身跨越圍巖斷裂帶，其中圍巖斷裂部位在Y值的185.709～203.075之間，具體見圖4。

圖4 隧洞超越斷裂層示意圖

3.1 拱頂降沉特征

選擇Y=200，198，188，178，168，158，148，138，128為分析對象，此中剖面198為跨越圍巖斷裂層剖面，分析各剖面的拱頂降沉演變特征，具體見圖5。

圖5 隧洞軸向縱剖面降沉云狀態

由圖5能夠看到，在穿越圍巖斷裂層時，出現最大板底隆起和最大拱頂降沉，最大板底隆起值為1.35 cm；最大拱頂降沉值為2.14 cm。越遠離圍巖斷裂層，板底隆起值及拱頂降沉值相對越小，相較于板底降沉速率，拱頂降沉速率相對要快；圍巖斷裂層的中性點跟板底隆起及拱頂降沉的最大移位點基本重合，板底隆起及拱頂降沉的最大移位與圍巖斷裂層的傾斜方向基本呼應；拱頂降沉較板底隆起的區域相對較寬，響應區域相對較大。穿越圍巖斷裂部位的拱頂降沉分布狀態具體見圖6。

圖6 穿越圍巖斷裂部位的拱頂降沉分布

圖6可知，隨著掘進發展和埋深加大，拱頂降沉幾乎呈直線加增態勢；在10 mm以下的洞口附近，降沉最大值出現部位Y=196。圍巖斷裂的中心部位在19.11 mm位置處；斷裂部位周邊，均發生大于15 mm拱頂降沉；拱頂降沉在穿越圍巖斷裂層后開始降低。借助降沉值的大小能夠發現，穿越圍巖斷裂部位，拱頂降沉獲得較好控制，主要得益于：①中通壓注漿特種錨桿的桿體在圍巖體出現形變后可以提供相對更大的支撐防護抗力；②超前區域注漿防護，使拱部圍巖體自承能力得到較大強化；③中通壓注漿特種錨桿使得注漿強固區域更大，把破碎帶松散體在更大范圍內形成膠結體，使圍巖體的整體強韌度大幅提升。

3.2 中通壓注錨體軸力分布

中通壓注漿特種錨桿的軸力分布狀態圖見圖7。通過圖7整體軸力狀態能夠看到，中通壓注錨桿軸力最大值發生部位主要集中在圍巖斷裂部位區域上拱部錨件和上拱部拱腳部錨件，其最大錨桿軸力值為260.68 kN；圍巖斷裂部位之外的其他上拱部錨件，其軸力多處于200 kN以下。

圖7 中通壓注錨桿整體軸力云狀態圖

3.2.1 基于不同斷面的上拱部錨件軸力狀態

所選剖面為Y=200，196，176，152，128，分析各剖面的上拱部錨件軸力，具體見表6和圖8。

表6 上拱部錨件軸力分布狀態 /kN

圖8 上拱部錨件軸力分布狀態圖

由圖8能夠看到，在Y=200剖面處的上拱部錨件發生最大軸力，其最大軸力值為260.682 kN，該部位距錨體自由端2.1 m；圍巖斷裂層上拱部錨件的軸力分布狀態起初近似直線升高，之后迅速降低；越遠離斷裂層，其上拱部錨件軸力的分布狀態特征越不明顯，直至幾近水平直線，這些錨桿的拉拔力消耗較少。

3.2.2 基于不同斷面的拱肩錨軸力分布狀態

拱肩錨軸力分布狀態具體見表7和圖9。

表7 拱肩錨軸力分布狀態 /kN

圖9 拱肩部錨體的軸力分布狀態

從圖9拱肩部錨體的軸力分布狀態能夠得出，錨體軸力狀態呈弧線型分布，其中圍巖斷裂層處錨體軸力較其他剖面均相對較大，最大錨體軸力值為164.249 kN；其余剖面的拱肩錨軸力呈現為越遠離圍巖斷裂層則軸力相對越大，而越遠離圍巖斷裂層則錨體軸力提升速率相對越低。

3.2.3 基于不同斷面的拱腳錨體軸力分布

拱腳錨體軸力分布狀態見表8和圖10。

表8 拱腳錨體軸力分布狀態 /kN

從圖10拱腳錨體軸力分布狀態圖能夠看到，不同剖面部位的拱腳錨體軸力分布狀態較為相近；起于錨體自由端，錨體軸力先是顯著提升，在0.9 m處達到最大軸力狀態，之后錨體軸力開始逐漸緩慢降低，直至發展至錨桿末端。

圖10 拱腳錨體軸力分布狀態圖

3.3 中通壓注錨移位規律

中通壓注錨移位分布具體見圖11，在圍巖斷裂層部位的上拱部錨件上發生最大錨移位，其最大值可達1.726 mm，見圖12中紅色所顯示的部分；其它上拱部錨件的移位基于遠離圍巖斷裂層的距離而呈現梯次減小態勢；拱腳位置的錨體移位相對不明顯。

圖11 中通壓注錨移位

圖12 圍巖體垂向壓力狀態

3.4 圍巖體垂向壓力狀態

經過比對垂向壓力分布狀態的演變，以起始平衡下的垂向沉降應力云狀態圖為比對對象，分析圍巖體應力及砌襯的應力。本文選擇Y=128剖面部位的垂向沉降應力云狀態圖作為研究對象。見圖12。

從圖12圍巖體垂向壓力狀態能夠看到，垂向沉降應力的分布狀態在隧洞附近出現轉移，垂向沉降應力在綠色部分的隧洞兩側內壁上，較周邊部分的應力值相對大；隧洞早期支撐防護錨桿及砌襯把來自上部的應力分解傳遞給周邊巖體，發揮出相關圍巖體的承力潛力；相較于周邊巖體的垂向沉降力，上拱部垂向沉降應力相對要小，這是由于掘進導致上拱部巖體失去部分巖體支撐，巖體處在兩向應力狀態，圍巖體逐步向隧洞形變，應力重新分布狀態所導致的。

4 總 結

本文參考工程案例實用數據，借助離散元FLAC3D模擬計算分析的方式，對水工隧洞穿越斷裂層應用中通壓注錨桿課題開展了專題分析探究。主要內容如下：①參考案例技術參數，建立了隧洞穿越斷裂層應用中通壓注錨桿的離散元模擬分析模型；②圍繞拱頂降沉特征、中通壓注錨體軸力分布、中通壓注錨移位規律和圍巖體垂向壓力狀態，對隧洞穿越斷裂層應用中通壓注錨桿的相關應力應變規律開展了模擬計算和分析；③計算分析揭示，中通壓注漿特種錨桿的桿體在圍巖體出現形變后可以提供相對更大的支撐防護抗力；超前區域注漿防護，使拱部圍巖體自承能力得到較大強化；中通壓注漿特種錨桿使得注漿強固區域更大，把破碎帶松散體在更大范圍內形成膠結體，使圍巖體的整體強韌度大幅提升；拱肩部錨體軸力狀態呈弧線型分布，斷裂層處錨體軸力較其他剖面的都相對較大，其余剖面的拱肩錨軸力呈現為越遠離圍巖斷裂層則軸力相對越大，越遠離圍巖斷裂層則錨體軸力提升速率相對越低的規律；圍巖斷裂層部位的上拱部錨件上發生最大錨移位，其它上拱部錨件的移位基于遠離圍巖斷裂層的距離而呈現梯次減小態勢；垂向沉降應力的分布狀態在隧洞附近出現轉移，垂向沉降應力在綠色部分的隧洞兩側內壁上，較周邊部分的應力值相對大。