長(zhǎng)系統(tǒng)錨桿對(duì)大變形隧道控制研究

【中圖分類號(hào)】 U455.7 +2

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 A

0 引言

錨桿在隧道支護(hù)中對(duì)圍巖的穩(wěn)定性有很好的支護(hù)效果，長(zhǎng)錨桿為控制圍巖大變形有較好的效果，但單線隧道由于洞室尺寸較小，不便于長(zhǎng)錨桿施工，為此，確定合理且便于施工的系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度對(duì)單線鐵路大變形隧道具有重要意義。為此，在系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度對(duì)大變形控制效果研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合圍巖松動(dòng)圈厚度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，確定適宜于單線隧道的系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度。

1 工程概況

玉龍雪山隧道位于云南省麗江市玉龍納西族自治縣境內(nèi)，為單線鐵路隧道，隧道全長(zhǎng) 14.755km ，最大埋深達(dá)1240m，是麗香鐵路最長(zhǎng)的隧道和重要控制工程。隧道進(jìn)、出口里程分別為： DK36+549、DK51+294 。原設(shè)計(jì)由2個(gè)橫洞、出口平導(dǎo)和正洞組織施工。圍巖以片理化玄武巖為主。片理化玄武巖呈灰褐色一灰白色，以綠泥石化變質(zhì)玄武巖、片理化變質(zhì)玄武巖為主，片狀構(gòu)造，呈層狀、片狀互層。巖體發(fā)生綠泥石化和片理化變質(zhì)，基本為層狀碎裂結(jié)構(gòu)，層厚 1～10 cm，層間綠泥石化和片理化變質(zhì)強(qiáng)烈，綠泥石、絹云母等手摸有滑膩感的軟弱夾層發(fā)育，如圖1所示。隧道自初進(jìn)入正洞施工后，各工區(qū)相續(xù)發(fā)生圍巖大變形，初支侵限頻頻發(fā)生、頻繁換拱導(dǎo)致工效極低。

圖1圍巖情況

受大規(guī)模地質(zhì)構(gòu)造的強(qiáng)烈擠壓，隧址區(qū)構(gòu)造應(yīng)力大，圍巖破碎，變質(zhì)作用強(qiáng)烈，片理、劈理發(fā)育，巖塊表面富集綠泥石、絹云母等手摸有滑膩感的蝕變礦物。地應(yīng)力測(cè)試表明：隧址區(qū)地應(yīng)力最大主應(yīng)力為水平方向且與隧道軸線接近垂直，地應(yīng)力最大值為 25.09MPa 。高地應(yīng)力、軟弱破碎圍巖使隧道處于嚴(yán)重的擠壓大變形環(huán)境中，地應(yīng)力最大主應(yīng)力為水平方向并與隧道軸線接近垂直、鐵路隧道高跨比大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)加劇了高地應(yīng)力擠壓大變形的危害。

2計(jì)算模型及材料參數(shù)

2.1計(jì)算模型建立

選取以隧道試驗(yàn)段實(shí)際工況為計(jì)算條件，采用 370m 埋深下、地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù) λ=1.2 來模擬分析高地應(yīng)情況下，系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度對(duì)單線鐵路隧道穩(wěn)定性的影響。從拱頂下沉、仰拱隆起、凈空收斂及圍巖塑性區(qū)等幾方面來著手分析研究，進(jìn)而得出最合理的支護(hù)參數(shù)。

模型計(jì)算范圍按左右邊界按5倍洞徑考慮，模型頂部邊界距隧道頂部的距離及底部邊界距隧道底部的距離均按4倍隧道高度考慮。整個(gè)模型在 X，Y，Z 三個(gè)方向尺寸為100 ，計(jì)算模型如圖2所示。模型頂部距離地表225m 。模型頂部加載，左右加載1.2倍的水平壓力。考慮錨噴初期支護(hù)，上臺(tái)階高 3.2m ，臺(tái)階長(zhǎng)度 5m ，中臺(tái)階高度3.5m ，臺(tái)階長(zhǎng)度 5m ，下臺(tái)階高度 2.16m ，臺(tái)階長(zhǎng)度 2m 。開挖循環(huán)進(jìn)尺為 1m ，支護(hù)落后開挖 1m ，如圖3所示。

圖2三維計(jì)算模型

圖3三臺(tái)階開挖分步示意

2.2 錨桿模擬

通過施作注漿錨桿，提高隧道初期支護(hù)的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，可以提高洞室圍巖的彈性模量、粘聚力以及內(nèi)摩擦角，為隧道的開挖提供安全的環(huán)境。數(shù)值模型通過提高錨桿加固區(qū)的彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角來模擬注漿錨桿的加固效果。

2.2.1初期支護(hù)模擬及等效處理

鋼拱架在初期支護(hù)中可以起到立竿見影的支撐效果，其模擬方法可以根據(jù)抗彎剛度等效原理來提高噴射混凝土的彈性模量，計(jì)算公式如下：

式中： E 為折算后的混凝土彈性模量（ MPa_Π ； E₀ 為原混凝土彈性模量（ MPa） ； η 為等效折算比例系數(shù)； A_g 為鋼拱架截面積（ m² ）； E_g 為鋼拱架彈性模量（ MPa ）； A 。為混凝土截面積 （m²） 。

2.2.2 參數(shù)選取

圍巖視為摩爾-庫倫理想彈塑性材料，初支結(jié)構(gòu)視為彈性材料。鋼架采用I20b全環(huán)設(shè)置，間距 0.5m ，初期支護(hù)為27cm 厚的C25噴射混凝土。鋼拱架等效折算到C25噴射混凝土中。材料計(jì)算參數(shù)見表1。

表1材料參數(shù)

3錨桿長(zhǎng)度對(duì)圍巖變形影響

3.1 圍巖最大位移

根據(jù)上述模型和參數(shù)，計(jì)算無注漿錨桿和注漿錨桿長(zhǎng)度分別為 3.0m，4.5m.6.5m 及 8.0m 時(shí)的圍巖位移。不同注漿錨桿長(zhǎng)度的圍巖豎向、水平向位移如圖4所示。

根據(jù)圖4的計(jì)算結(jié)果，得出不同長(zhǎng)度注漿錨桿下的圍巖最大位移及其出現(xiàn)部位，見表2。

表2不同注漿錨桿長(zhǎng)度下的圍巖最大位移及出現(xiàn)部位

從圖4及表2可看出：

（1）無錨桿支護(hù)豎向位移和水平位移都是最大。這說明注漿錨桿可以防止圍巖向隧道內(nèi)發(fā)生過大的位移和變形。

（2）隨著注漿錨桿長(zhǎng)度增加，圍巖水平位移逐漸減小；錨桿長(zhǎng)度不超過 6.5m 時(shí)，圍巖最大水平位移隨注漿錨桿長(zhǎng)度的增加明顯減小，錨桿長(zhǎng)度超過 6.5m 以后，減少不再明顯，錨桿長(zhǎng)度從 6.5m 增至 8m ，圍巖位移僅減少了 2.94mm 。

3.2 拱頂下沉

數(shù)值計(jì)算得出的不同長(zhǎng)度注漿錨桿下的拱頂下沉、下沉速率隨不同施工步的變化如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可看出：初期支護(hù)成環(huán)前拱頂下沉逐漸增大，中、下臺(tái)階開挖開挖過程中拱頂下沉速率最大，初期支護(hù)成環(huán)后拱頂下沉速率逐漸放緩。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提取不同注漿錨桿長(zhǎng)度下的拱頂下沉最大值，見表3。

圖4不同注漿錨桿長(zhǎng)度豎向、水平位移云圖

圖5不同注漿錨桿長(zhǎng)度拱頂下沉隨開挖步的變化曲線

圖6不同注漿錨桿長(zhǎng)度拱頂下沉速率隨開挖步的變化曲線

表3不同注漿錨桿長(zhǎng)度下的拱頂下沉

從表3和圖5可看出：

（1）施作注漿錨桿后，拱頂下沉有明顯的減少。這說明，注漿錨桿對(duì)控制隧道拱頂下沉具有一定的作用。

（2）隨著注漿錨桿長(zhǎng)度增加，拱頂下沉逐漸減小；注漿錨桿長(zhǎng)度不超過 6.5m 時(shí)，拱頂下沉隨注漿錨桿長(zhǎng)度的增加明顯減小，注漿錨桿長(zhǎng)度超過 6.5m 以后，減少不再明顯，注漿錨桿長(zhǎng)度從 6.5m 增至 8m ，拱頂下沉僅減少了 7.3mm 。

3.3底板隆起

數(shù)值計(jì)算得出的不同長(zhǎng)度注漿錨桿下的底板隆起、隆起速率隨不同施工步的變化如圖7、圖8所示。

圖7不同注漿錨桿長(zhǎng)度仰拱隆起隨開挖步的變化曲線

圖8不同注漿錨桿長(zhǎng)度仰拱隆起速率隨開挖步的變化曲線

由圖7、圖8可看出：仰拱填充混凝土施工前底板隆起逐漸增大，下臺(tái)階開挖過程中仰拱隆起速率最大，仰拱填充混凝土施工后底板隆起速率逐漸放緩。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提取不同注漿錨桿長(zhǎng)度下的底板隆起最大值，見表4。

表4不同注漿錨桿長(zhǎng)度下的底板隆起

從表4和圖7可看出：是否施作注漿錨桿對(duì)底板隆起影響很小；注漿錨桿對(duì)抑制底板隆起效果不明顯，

3.4拱腳水平收斂

數(shù)值計(jì)算得出的不同長(zhǎng)度注漿錨桿下的拱腳水平收斂、水平速率隨不同施工步的變化如圖9、圖10所示。

圖10不同注漿錨桿長(zhǎng)度拱腳水平收斂速率隨開挖步的變化曲線

圖9不同注漿錨桿長(zhǎng)度拱腳水平收斂隨開挖步的變化曲線

由圖9、圖10可看出：初期支護(hù)成環(huán)前拱腳水平收斂逐漸增大，仰拱開挖過程中拱腳水平收斂速率最大，初期支護(hù)成環(huán)后拱腳水平收斂速率逐漸放緩。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提取不同注槳錨桿長(zhǎng)度下的拱腳水平收斂最大值，見表5。

表5不同注漿錨桿長(zhǎng)度下的拱腳水平收斂

從表5和圖9可看出：

（1）施作注漿錨桿后，拱腳水平收斂有明顯的減少。這說明，注漿錨桿對(duì)抑制隧道拱腳水平收斂具有較好的作用

（2）隨著注漿錨桿長(zhǎng)度增加，拱腳水平收斂逐漸減小；錨桿長(zhǎng)度不超過 6.5m 時(shí)，拱腳水平收斂隨注漿錨桿長(zhǎng)度的增加明顯減小，錨桿長(zhǎng)度超過 6.5m 以后，減少不再明顯，錨桿長(zhǎng)度從 6.5m 增至 8m ，拱腳水平收斂?jī)H減少了 5.3mm 。

3.5邊墻中部（墻腰）水平收斂

數(shù)值計(jì)算得出的不同長(zhǎng)度注漿錨桿下的邊墻中部（墻腰）水平收斂、水平速率隨開挖步的變化如圖11、圖12所示。

由圖9、圖10可看出：初期支護(hù)成環(huán)前邊墻中部（墻腰）水平收斂逐漸增大，下臺(tái)階開挖過程中邊墻中部（墻腰）水平收斂速率最大，初期支護(hù)成環(huán)后邊墻中部（墻腰）水平收斂速率逐漸放緩。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提取不同注漿錨桿長(zhǎng)度下的拱腳水平收斂最大值，見表6。

表6不同注漿錨桿長(zhǎng)度下的邊墻中部（墻腰）水平收斂

圖11不同注漿錨桿長(zhǎng)度墻腰水平收斂隨開挖步的變化曲線

圖12不同注漿錨桿長(zhǎng)度墻腰水平收斂速率隨開挖步的變化曲線從表6和圖11可看出：

（1）施作注漿錨桿后，邊墻中部（墻腰）水平收斂明顯減少。說明注漿錨桿對(duì)抑制邊墻水平收斂具有較好作用。

（2）隨著注漿錨桿長(zhǎng)度增加，邊墻中部（墻腰）水平收斂逐漸減小；注漿錨桿長(zhǎng)度不超過 6.5m 時(shí)，邊墻中部（墻腰）水平收斂隨注漿錨桿長(zhǎng)度的增加明顯減小，注漿錨桿長(zhǎng)度超過 6.5m 以后，減少不再明顯，注漿錨桿長(zhǎng)度從 6.5m 增至8m ，邊墻中部（墻腰）水平收斂?jī)H減少了 9.1mm 。

4錨桿長(zhǎng)度對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響

數(shù)值計(jì)算得出的不同長(zhǎng)度注漿錨桿下，開挖支護(hù)完成后的的塑性區(qū)橫斷面分布如圖13所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提取不同注漿錨桿長(zhǎng)度下的不同部位的塑性區(qū)深度，見表7。

（c）注漿錨桿長(zhǎng) 4.5m （d）注漿錨桿長(zhǎng) 6.0m （e）注漿錨桿長(zhǎng) 8.0m

圖13開挖支護(hù)完成，不同注漿錨桿長(zhǎng)度下的塑性區(qū)橫斷面分布

由圖13及表7可看出：與未施作注漿錨桿相比，施作注漿錨桿后，除仰拱以外區(qū)域外，其余部分的塑性區(qū)寬度均有明顯減少。這說明，注漿錨桿的施作對(duì)抑制塑性區(qū)的擴(kuò)展有較明顯的作用。

由于玉龍雪山隧道變形最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)檫厜σ还把危赃厜Ω浇苄詤^(qū)的變形對(duì)大變形的控制意義更大。由表

表7開挖支護(hù)完成，不同注漿錨桿長(zhǎng)度下的塑性區(qū)深度

5、表6可看出：注漿錨桿長(zhǎng)度不超過 6.5m 時(shí)，邊墻中部（墻腰）塑性區(qū)深度隨注漿錨桿長(zhǎng)度的增加明顯減小，注漿錨桿長(zhǎng)度超過 6.5m 以后，減少不再明顯，注漿錨桿長(zhǎng)度從 6.5m 增至 8m ，邊墻中部（墻腰）塑性區(qū)深度僅減少了 0.07m 。

上述計(jì)算結(jié)果表明：從圍巖變形、圍巖塑性區(qū)范圍角度來看，注漿錨桿長(zhǎng)度的宜取 6.5m □

5 錨桿的合理長(zhǎng)度

根據(jù)研究表明：當(dāng)注漿錨桿長(zhǎng)度小于 6.5m 以前，拱頂下沉、邊墻中部（墻腰）及拱腳水平收斂，拱頂及邊墻中部（墻腰）塑性區(qū)寬度均隨錨桿長(zhǎng)度的增大明顯減小；錨桿長(zhǎng)度小于 6.5m 以前，減小不再明顯。

本文圍巖松動(dòng)圈的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明：玉龍雪山隧道大形IIA斷面典型區(qū)段的圍巖松動(dòng)圈厚度為 4.4m 左右。系統(tǒng)錨桿超過圍巖松動(dòng)圈的深度一般不應(yīng)該小于 1.5m ，按此計(jì)算，系統(tǒng)錨桿的長(zhǎng)度不應(yīng)小于 6.0m. □

根據(jù)上述數(shù)值計(jì)算所得結(jié)論得出的系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度（6.5m）與松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果要求的錨桿長(zhǎng)度（ （6.0m） 基本一致。經(jīng)綜合考慮，系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度宜為 6.5m 。

6 結(jié)束語

目前通過全環(huán)適當(dāng)增加系統(tǒng)錨桿，減少初期支護(hù)所受圍巖壓力；增加鎖腳錨桿，減小邊墻段拱架的豎向跨度；初期支護(hù)適當(dāng)加強(qiáng)，提高初期支護(hù)的抗彎剛度，增大邊墻抵抗水平收斂變形和豎向壓彎組合失穩(wěn)的能力。在今后的大變形施工中起到了指導(dǎo)性的作用。

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