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(kāi)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(lái)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(kāi)挖過(guò)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(shū)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(kāi)挖方法下圍巖的變形特征，得到三臺(tái)階七步開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)挖方法來(lái)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)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(kù)侖本構(gòu)模型，隧道開(kāi)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(jiàn)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(kāi)挖并初支至y=10 m處，開(kāi)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(guò)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(niǎo)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(niǎo)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(niǎo)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(kāi)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(guò)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(yè)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(méi)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(guò)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(yǔ)

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(niǎo)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)。

參考文獻(xiàn)：

［1］謝雄耀，蔡杰龍，周應(yīng)新，等.淺埋軟弱圍巖隧道施工塌方及處治措施研究［J］.建筑施工，2022，44（3）：545-549.

［2］孟永香.軟弱圍巖隧道超前支護(hù)加固形式研究［J］.市政技術(shù)，2023，41（12）：111-116.

［3］張書(shū)國(guó)，賀永勝，戴嶺，等.深部軟弱圍巖隧道開(kāi)挖方法數(shù)值比選研究［J］.價(jià)值工程，2023，42（33）：146-149.

［4］張帥，劉世林，薛江龍，等.隧道穿越擠壓性軟巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究［J］.施工技術(shù)（中英文），2023，52（21）：48-54.

［5］葉亦文.軟弱圍巖淺埋隧道施工方法研究［J］.工程技術(shù)研究，2023，8（21）：38-40.

［6］孫軍平，賀海龍，謝秉鑫.淺埋軟弱圍巖輸水隧洞施工工法比較分析［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2023，21（5）：131-137.

［7］肖楊，蒲松.軟弱圍巖連拱隧道力學(xué)特性及支護(hù)參數(shù)研究［J］.山西建筑，2023，49（20）：153-156.

［8］秦苛，張翰洋，蔡曉斌，等.軟巖大斷面隧道安全施工步距數(shù)值模擬分析［J］.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2023（24）：161-164.

［9］楊永斌，王慶，王星，等.淺埋軟弱圍巖隧道微樁鎖腳施工技術(shù)研究［J］.路基工程，2023（4）：137-142.

［10］望紫云.富水泥巖段隧道支護(hù)參數(shù)優(yōu)選分析［J］.工程與建設(shè)，2023，37（1）：285-289.

［11］李斌，漆泰岳，吳占瑞，等.隧道掌子面錨桿加固參數(shù)確定方法［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2012，34（10）：115-121.

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