浅埋软弱围岩隧道掌子面锚杆预加固技术

　　摘 要：为了获得合理的浅埋软弱围岩隧道掌子面锚杆加固参数，基于理论分析与数值模拟相结合的手段，对黏土地层浅埋隧道掌子面锚杆的加固参数进行研究。结果表明：1)基于相关规范要求，并考虑围岩扰动区及塑性区分布，掌子面锚杆的合理加固长度应取值为18 m;2)考虑掌子面锚杆加固的安全性与经济性，其加固根数为150根(1根/m2)时最优;3)采用中部圆形的方案布设掌子面锚杆，其加固效果与全断面加固基本一致，且比全断面加固更具经济性。

　　关键词：软弱围岩隧道;掌子面锚杆;围岩变形控制;加固参数

　　Abstract: To obtain the appropriate reinforcement parameters of face bolt in shallow buried tunnel, the reinforcement parameters of face bolt were studied in this paper based on theoretical analysis and numerical simulation. The results show that: 1) The ap-propriate length of face bolt should be determined as 18 m by considering the distribution of disturbed zone, plastic zone of sur rounding rock, and requirements of technique specification. 2) The optimal number of face bolt is taken as 150 (1 bolt/m2) by considering the safety and economy of face bolt reinforcement. 3) The centra-round plan is adopted to arrange the face bolt, resulting in the identical reinforcement effects, while more economical than that of full section reinforcement.

　　Keywords: soft stratum tunnel; face bolt; deformation control of surrounding rock; reinforcement parameter

　　随着我国交通设施建设规模的不断增长，隧道建设呈现欣欣向荣之势。在隧道工程建设中，由于地质环境的限制及隧道技术标准的提高，出现了大量的浅埋软弱围岩隧道。软弱围岩具有强度低、变形量大、变形速率快、变形持续时间长等特点[，在软弱围岩地层中开挖隧道，围岩极易产生大变形，甚至造成隧道坍塌，严重影响隧道建设的安全和工期。因此，浅埋软弱围岩隧道修建过程中的围岩变形控制是一个亟待解决的技术难题。

　　Lunardi认为隧道开挖引起的围岩变形主要受掌子面前方核心土强度的影响，当采取适当的预加固措施(如掌子面锚杆)对掌子面超前核心土进行加固后，围岩变形也随之得到控制。因此，国内外专家学者基于理论分析、室内试验和数值模拟等手段，对掌子面锚杆预加固技术进行了研究。陈涛等[3]以新意法为理论基础，利用有限元软件研究了玻璃纤维增强塑料(glass fiber reinforced plastics，GFRP)筋作为掌子面锚杆时对地层开挖变形的抑制作用，研究发现，GFRP锚杆能有效提高掌子面前方核心土强度，从而控制因开挖引起的地层形变。师晓权等[1通过室内大比例尺相似模拟试验研究了软弱围岩隧道修建过程中掌子面锚杆的作用特点及机制。

　　Li等[5]利用数值模拟方法研究了掌子面锚杆加固长度、加固密度、加固范围及轴向刚度等因素对软岩隧道掌子面稳定性的影响，得到了部分掌子面锚杆的加固参数。Kitchah等[]采用有限差分法分析对比了掌子面锚杆与隧道护拱的加固效果，结果表明，掌子面锚杆在控制隧道拱顶沉降上优于隧道护拱。陈峥等[1基于极限分析上限法与综合强度折减法分析了影响掌子面稳定性的因素，结果表明，掌子面锚杆在提高围岩稳定性方面效果显著。王辉等[]基于典型基坑案例，采用数值模拟研究了在不同锚杆自由段长度下滑移面的变化规律及滑移机制。范秋雁等[0和崔向东等[10)采用现场试验及数值模拟方法研究了锚杆的受力及变形机理，为建立锚杆锚固体的力学模型提供了依据。

　　综合分析上述研究成果可知，学者们对掌子面锚杆的作用机理、加固效果及加固参数等进行了系列研究，并取得了诸多研究成果。但总体而言，目前针对浅埋软弱围岩隧道掌子面加固技术的研究甚少，研究手段单一，尚未提出系统化的加固参数。基于此，本文采用理论分析方法，建立浅埋软弱围岩掌子面破坏模式，确定掌子面锚杆加固长度;结合数值模拟手段，对浅埋软弱围岩隧道掌子面锚杆的加固长度、加固根数及加固范围进行系统研究，旨在形成浅埋软弱围岩隧道掌子面锚杆预加固技术。

　　1工程背景

　　云南省某单洞双线铁路隧道全长855 m，设计时速为200 km/h，隧道拱顶埋深为10~28 m，最大开挖跨度为15.0m，开挖高度为12.0m，隧址区属高原丘陵-中低山区地貌，地势平坦。隧道洞身围岩主要由粉质黏土与黏土组成，围岩级别划分为V级，属于浅埋软弱围岩隧道。

　　隧道支护采用复合衬砌结构。初期支护为喷锚支护，主要由系统锚杆、喷射混凝土及钢拱架组成，其中系统锚杆为425组合中空锚杆，喷射混凝土为25 cm厚的C20混凝土，钢拱架为122b单层钢拱架。

　　隧道二衬采用C35混凝土浇筑，厚度为65 cm.

　　围岩及支护参数见表1，隧道开挖轮廓如图1所示，在后续的分析中，隧道埋深取值为10m

　　2 浅埋软弱围岩隧道掌子面锚杆加固长度

　　2.1 浅埋软弱围岩掌子面破坏模式分析

　　基于Davis掌子面破坏模式[1]，建立软弱围岩地层隧道掌子面破坏模型，如图2所示。图中，CD为掌子面，梯形ABCE和等腰三角形ECD为受扰动围岩。

　　由于掌子面锚杆仅在隧道开挖高度范围内垂直 于掌子面平行布设，因此本文对图2中的模型进行 简化，只研究掌子面高度范围内的围岩稳定性，并将上覆土层简化为作用在隧道上方的荷载σs，得到如图3所示的掌子面破坏模型，图中其他参数与原模型相同。

　　2.2基于理论解析的掌子面锚杆长度分析

　　要使锚杆起到加固效果，则锚杆应穿过破裂面，进入稳定围岩一定深度，在图3中，隧道掌子面的破裂面为折线FED，基于以上分析，结合依托工程实际情况，采用理论方法对掌子面锚杆加固长度进行研究。隧道高度H=12 m，隧道埋深M=10m。由几何关系求得破裂面最大深度为

　　鉴于在隧道工程中没有相关规范对锚杆的锚固参数进行说明，并且考虑隧道掌子面支护与建筑基坑支护具有一定相似性，因此，本文依据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)[2]，将锚杆进入稳定围岩的锚固长度取为1.5 m，得到隧道拱顶掌子面锚杆的最小理论加固长度为1>lc+1.5=16.9 m;基于安全考虑，掌子面沿隧道高度分布的锚杆长度统一取值为1=17 m.

　　2.3基于数值仿真的掌子面锚杆长度分析

　　1)计算模型建立

　　本文利用有限差分软件FLAC进行掌子面锚杆加固参数研究。考虑边界效应[121]的影响，模型尺寸取为74.5 m ×60 m×51 m，其中模型顶部取至地表，并且不施加任何约束，左右两面施加水平位移约束，底部同时施加水平及竖向位移约束。数值模型如图4所示，围岩与初支的力学参数见表1。

　　为了消除边界效应的影响，取隧道掘进方向20m处的截面作为目标面，通过分析在距目标面不同距离处开挖时，目标面的挤出位移变化规律以及洞周塑性区分布特点，以确定合理的锚杆长度。

　　2)计算结果分析

　　随着隧道掘进，目标面的挤出位移变化规律如图5所示。可以看出：隧道掌子面距离目标面越远，目标面挤出位移越小;在距离目标面约16m处开挖时，目标面的挤出位移已不足最大挤出位移的1/10，因此可以认为，当掌子面距离目标面16m及以上时，目标面处围岩属于未扰动围岩。

　　图6为隧道开挖后未布设掌子面锚杆时的塑性区分布情况。可以看出，隧道掘进方向的塑性区最大分布深度为18 m(隧道掘进方向网格尺寸为1 m/格)。

　　掌子面锚杆的加固长度既应满足规范要求，也应满足穿过塑性区进入未扰动区的要求。因此，综合理论分析与数值计算结果，确定该隧道掌子面锚杆的加固长度为18m

　　此外，掌子面的挤出位移分布如图7所示，可以看出，目标面挤出位移呈圆形分布，且最大挤出变形发生在掌子面中部偏下区域。

　　3浅埋软弱围岩隧道掌子面锚杆加固根数

　　由图3可知，要防止掌子面发生挤出破坏，则掌子面锚杆提供的水平支护力应不小于。。因此，本节基于掌子面最小支护力。，计算得到保持掌子面稳定所需的锚杆根数;并结合数值分析方法，讨论不同锚杆根数工况下的加固效果，最终确定最优的锚杆根数。

　　3.1 基于极限分析上限法的掌子面水平支护力上限解

　　结合计算模型(图2)，在虚功率原理的基础上，采用极限分析法[13]推导得到掌子面水平支护力上限解。

　　由图2中的几何关系计算可得块体1(SAE)与块体2(ScoE)的面积分别为。

　　1)外荷载功率

　　外荷载功率包括掌子面水平支护力(o)的功率和土体重力功率。其计算式为

　　3.3 基于数值仿真的掌子面锚杆根数分析

　　基于掌子面锚杆理论加固根数，结合数值模拟对比分析掌子面锚杆根数为77、90，112.150，187根这5种工况下的加固效果，确定合理的掌子面锚杆加固根数。计算模型与锚杆参数均同上文。

　　各工况的加固效果如图8与表4所示。由计算结果可知：各工况下的挤出位移曲线趋势一致，均有效地抑制了掌子面挤出位移;当锚杆根数小于150根时(工况1~3)，随着锚杆数量增加，加固效果逐渐提高，但差异不明显;当锚杆数量增加至150根时(工况4)，加固效果有较大改善，但锚杆根数继续增至187根时(工况5)，加固效果与工况4相比无较大改变。综合考虑掌子面的安全性与工程经济性，本文将掌子面锚杆根数取为150根，加固密度约为1.0根/m".

　　4 浅埋软弱围岩隧道掌子面锚杆加固范围

　　基于2.3节中的研究成果可知，在全断面法开挖过程中，隧道掌子面的挤出位移呈圆形分布，最大挤出位移发生在掌子面中部偏下区域。在实际工程中，通常采用全断面布设掌子面锚杆的方案进行加固，加固效果虽然理想，但是经济性欠佳。为获得既满足掌子面安全性又具备经济性的加固范围，本节利用数值模拟讨论了上部加固、下部加固及中部圆形加固这3种非全断面布设方案的加固效果。为保证单一变量，3种非全断面布设方案的加固面积均为掌子面面积的1/2，且锚杆加固密度均为1.0根/m2，计算模型及锚杆计算参数均同上文。锚杆布设示意图如图9所示。

　　图10为5种工况下目标面的挤出位移曲线，各工况下目标面的最大挤出位移也标于图中。由图10可知：上部加固与下部加固均只对加固区域的挤出位移量有一定的控制作用，最大挤出位移控制率分别为14.0%和40.8%，对未加固区域的加固效果不明显;中部圆形加固对整个掌子面的挤出位移均有较好的抑制作用，最大挤出位移控制率约为51.6%并且中部圆形加固的掌子面挤出位移曲线形式与全断面加固时的掌子面挤出位移曲线形式一致。考虑安全性与经济性，中部圆形加固为最佳布设方案。

　　5结论

　　本文以云南省某浅埋软弱围岩隧道工程为背景，采用理论分析与数值模拟相结合的手段，对浅埋软弱围岩隧道掌子面锚杆的加固参数进行了研究，主要结论如下：

　　1)基于理论分析方法，建立了浅埋软弱围岩隧道掌子面破坏模式;结合数值分析中隧道开挖后掌子面前方围岩的挤出位移和塑性区分布深度，确定掌子面锚杆合理加固长度为18m.

　　2)采用极限分析法，推导得到掌子面水平支护力上限解;考虑掌子面的稳定性及工程的经济性，结合数值模拟方法，确定依托工程的掌子面锚杆加固根数为150根，即加固密度为1.0根/m。该加固密度可为相似工程掌子面锚杆的设计提供依据。

　　3)相较于上部加固、下部加固及全断面加固，在隧道掌子面中部圆形部位加固既能有效控制整个掌子面的挤出位移，又能减少锚杆用量，在实际工程中时应优先选择中部圆形加固方案。

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