隧道掌子面玻璃纖維錨桿加固作用效應(yīng)試驗(yàn)研究

袁仁愛(ài) 漆泰岳

（1 中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054；2 西南交通大學(xué)，四川 成都 610031）

1 研究目的

隧道圍巖因開(kāi)挖影響沿著隧道開(kāi)挖輪廓線產(chǎn)生應(yīng)力重分布，而形成“拱部效應(yīng)”，而應(yīng)力重分布對(duì)隧道施工的影響大小，決定于圍巖特性、環(huán)境地質(zhì)條件、開(kāi)挖及支護(hù)方式等。瀏陽(yáng)河隧道施工過(guò)程中基于加固掌子面及前方一定范圍內(nèi)巖土為理論基礎(chǔ)，注重拱部超前支護(hù)與玻璃纖維錨桿掌子面預(yù)加固共同支護(hù)效果。

2 施工參數(shù)選取及數(shù)值模擬分析

瀏陽(yáng)河隧道采用玻璃纖維錨桿加固掌子面前方圍巖主要應(yīng)用于下穿瀏陽(yáng)河河底等特殊地質(zhì)段落，河底段最大埋深23.8m，平均約20m，穿越強(qiáng)～弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖區(qū)，具微膨脹性，見(jiàn)水易軟化，易掉塊，局部充填石膏線，巖石強(qiáng)度為24.4 ～2.98MPa，屬Ⅴ級(jí)圍巖。

2.1 數(shù)值模擬試驗(yàn)方案

施工時(shí)采用臺(tái)階法施工，基于正交試驗(yàn)原理安排試驗(yàn)方案，因素和水平的選取見(jiàn)下表。

表1 數(shù)值試驗(yàn)因素方案表

2.2 建立臺(tái)階法數(shù)值模型

采用FLAC3D 有限差分?jǐn)?shù)值模擬分析軟件，模型尺寸為高×寬×深＝50.15m×100m×36m，單元網(wǎng)格數(shù)為49920 個(gè)。重點(diǎn)研究二臺(tái)階工法下各施工參數(shù)對(duì)施工效率及掌子面穩(wěn)定的敏感性。

參照表1的試驗(yàn)因素表，基于正交試驗(yàn)原理，選取L9（34），共分9 種工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究。參數(shù)選取及模型建立時(shí)，對(duì)于大、小管棚作用，可采用提高圍巖參數(shù)；采用cable 單元模擬掌子面玻璃纖維錨桿和徑向鋼錨桿；采用實(shí)體單元模擬初期支護(hù)及二次襯砌作用；鋼拱架作用采用提高噴射混凝土參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

2.3 最優(yōu)參數(shù)驗(yàn)證計(jì)算

2.3.1 無(wú)支護(hù)條件隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性分析

淺埋大斷面隧道無(wú)支護(hù)狀態(tài)開(kāi)挖后掌子面核心土和拱周圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)，有可能產(chǎn)生滑動(dòng)破壞，圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要對(duì)掌子面核心土進(jìn)行加固保護(hù)。掌子面縱向位移為48.02mm，拱頂最大豎向位移為70.04mm。

2.3.2 最優(yōu)參數(shù)驗(yàn)證計(jì)算

隧道開(kāi)挖縱向位移最大值為24.92mm；隨著與工作面距離的增加，超前核心土的擠壓變形迅速降低，5m 范圍內(nèi)從24.9mm 降低為不到5mm；變化范圍與上臺(tái)階開(kāi)挖斷面的半徑一致。從圖1中還可知：掌子面位移總體上呈現(xiàn)出中間大，四周小的趨勢(shì)，最大縱向位移出現(xiàn)在開(kāi)挖中心偏下位置。同時(shí)，掌子面塑性區(qū)分布范圍與位移分布是一致的，即位移比較大的圍巖進(jìn)入了塑性區(qū)，掌子面塑性區(qū)深度5.4m，施工時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況，輔以大管棚支護(hù)。豎向位移拱頂最大沉降值31.55mm；圍巖豎向壓力最大為6.67MPa。通過(guò)計(jì)算施工效率為0.095h/m3。

圖1 圍巖縱向位移剖面圖

3 室內(nèi)模型試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究隧道掌子面玻璃纖維錨桿加固圍巖應(yīng)力、位移變化規(guī)律及地表位移變化規(guī)律，驗(yàn)證選取的施工參數(shù)的合理性，并確定該支護(hù)體系的可靠度，研究按相似原理進(jìn)行模型試驗(yàn)。

3.1 模型建立

根據(jù)原型尺寸，采用相似比30，室內(nèi)模型尺寸大小為高×寬×深=1.4m×2.5m×0.2m。室內(nèi)研究采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室小應(yīng)變?cè)囼?yàn)臺(tái)。

據(jù)歷史水位監(jiān)測(cè)記錄瀏陽(yáng)河最高洪水位水深為14m，按最大荷載考慮，室內(nèi)模擬水壓力最大加載深度為0.47m，換算采用235kg 荷載加壓在模擬隧道頂部。

降低血壓有益于延遲腎病的進(jìn)展,血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑(ACEI)和血管緊張素受體阻斷藥(ARB)是目前較為有效的降低尿蛋白水平的藥物[2],通常劑量是降低血壓的劑量的2倍,需觀察血壓是否有偏低。尿蛋白水平升高但是血壓水平正常后仍需要選用ACEI和ARB的治療,劑量盡可能增加至足量,但是應(yīng)注意血壓能否耐受[3]。ACEI和ARB可顯著降低血壓,防止心肌肥厚,抑制動(dòng)脈粥樣硬化,改善胰島素抵抗,抑制血管、心臟、腎臟纖維化,降低腎小球灌注壓利減少蛋白尿等,具有很好的靶器官的保護(hù)作用,在糖尿病腎病的血壓控制中為首選,其他還可選用鈣通道阻滯劑,在合適的患者還可使用利尿劑和β受體阻滯劑。

3.2 配制相似材料

1）根據(jù)相似比原理，確定模型圍巖物理力學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)采用石灰、細(xì)砂、石膏等材料以1 ∶6 ∶1 的質(zhì)量比配制隧道相似材料。

2）噴射混凝土及二次襯砌相似材料，采用石膏相似材料代替，錨桿根據(jù)剛度計(jì)算，相似材料采用直徑為2mm 的鋁絲（E=6.69*109Pa）模擬。考慮鋼拱架及噴射混凝土強(qiáng)度等作用初支厚度為9mm。

3）掌子面超前預(yù)加固

為模擬掌子面及掌子面前方巖土超前加固效果，室內(nèi)模型建立時(shí)提高加固區(qū)地層強(qiáng)度，該范圍的圍巖材料采用質(zhì)量配比為：砂：石灰：石膏=3 ∶0.3 ∶0.7。

3.3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及手段

1）采用位移計(jì)及沉降觀測(cè)點(diǎn)等位移采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)隧道拱頂下沉、水平收斂、地表下沉。

2）采用壓力盒等應(yīng)變采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)隧道周邊圍巖應(yīng)力。

3）采用攝象系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄隧道模型連續(xù)變形過(guò)程。

3.4 安全系數(shù)研究

隧道模型安全開(kāi)挖完成后，持續(xù)加壓直至模型變形坡壞到不能再加壓為止，根據(jù)最終模型破壞時(shí)位移、應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果及荷載情況，確定隧道安全系數(shù)。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）掌子面擠壓位移、洞周收斂變形及地表沉降變形情況

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)掌子面最大位移0.026mm，拱底隆起最大位移為0.074mm，拱頂最大下沉0.156mm，邊墻最大水平位移0.166mm。

2）圍巖應(yīng)力變化情況

洞周圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用土壓力盒和土壓力傳感器，測(cè)點(diǎn)布置共16個(gè)壓力盒，其中9個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在隧道周邊表面，6 個(gè)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)在隧道周邊縱向深度10cm 處。從隧道洞周圍巖應(yīng)力變化曲線及圖2可知，隧道開(kāi)挖后拱頂、拱底徑向壓力減小，拱肩應(yīng)力增大。

圖2 拱肩處圍巖裂縫

3）破壞試驗(yàn)結(jié)果

加載到第10 次后，本次加載640kg，累計(jì)加載3260kg，換算累計(jì)埋深3.35m。此時(shí)，隧道襯砌和周圍出現(xiàn)較大裂紋，不適宜繼續(xù)承載。依據(jù)破壞時(shí)最大荷載及隧道埋深情況，計(jì)算該隧道支護(hù)體系的安全系數(shù)為5.1，滿足隧道施工運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性要求。

3.6 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

采用數(shù)值模擬計(jì)算所得最優(yōu)參數(shù)，模型試驗(yàn)結(jié)果如下：

1） 掌子面比較穩(wěn)定，最大變形量0.026mm。洞內(nèi)拱頂最大下沉量為0.16mm，隧底隆起最大為0.07mm，邊墻最大位移0.17mm；

2） 隧道中心地表下沉最大為0.19mm，兩側(cè)往邊墻及外側(cè)逐漸減小；

3） 將試驗(yàn)位移量測(cè)結(jié)果乘以幾何相似比30，可推算隧道實(shí)際施工過(guò)程中變形破壞規(guī)律。根據(jù)拱肩最先出現(xiàn)破壞且拱頂下沉最大的特點(diǎn)，實(shí)際施工時(shí)重點(diǎn)關(guān)注隧頂變形坍塌。

4） 采用該支護(hù)體系的安全系數(shù)為5.1，可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工，確保隧道施工運(yùn)營(yíng)安全。

4 結(jié)語(yǔ)

表2 河底段圍巖及模擬圍巖物理力學(xué)參數(shù)

1）我國(guó)隧道施工中對(duì)玻璃纖維錨桿加固效應(yīng)研究甚少，通過(guò)數(shù)值模擬分析、室內(nèi)模型試驗(yàn)，認(rèn)識(shí)到隧道開(kāi)挖后掌子面位移總體上呈現(xiàn)出中間大，四周小的趨勢(shì)，最大縱向位移出現(xiàn)在開(kāi)挖中心偏下位置。掌子面塑性區(qū)分布范圍與位移分布是一致的，即位移比較大的圍巖進(jìn)入了塑性區(qū)。

2）對(duì)掌子面前方巖土進(jìn)行預(yù)加固，可通過(guò)玻璃纖維錨桿實(shí)施。這樣可有效控制掌子面巖土的擠壓膨脹變形，增強(qiáng)了隧道施工穩(wěn)定性，減小隧道開(kāi)挖的預(yù)收斂變形，很好地改善圍巖的變形特性。這種加固可實(shí)現(xiàn)大斷面機(jī)械化快速施工，對(duì)施工方法進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)低粘聚力的軟弱圍巖地質(zhì)條件隧道施工情況非常適用。

3）研究確定瀏陽(yáng)河隧道河底段掌子面預(yù)加固采用Φ25 玻璃纖維錨桿，加固長(zhǎng)度為18m 一環(huán)，搭接6m，按1.5m×1.5m 梅花型布置，加固密度每12m2/一根；外插角1°～3°，循環(huán)進(jìn)尺為1.8m。