水工隧洞穿越斷裂層應(yīng)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(jīng)常面臨穿越復(fù)雜斷裂層的工程難題，應(yīng)用壓注錨桿實(shí)施復(fù)合注漿錨固成為工程技術(shù)選擇。本文參考工程案例實(shí)用數(shù)據(jù)，借助離散元FLAC3D模擬計(jì)算分析的方式，對(duì)水工隧洞穿越斷裂層應(yīng)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(yīng)用中通壓注錨桿提供研究及技術(shù)參考，助力建設(shè)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(biāo)K51+058～K51+155段落為本研究關(guān)注的應(yīng)用中通壓注漿特種錨桿作徑向錨桿區(qū)段，區(qū)間總長度97 m，其地質(zhì)剖面結(jié)構(gòu)狀態(tài)見圖1。

圖1 案例地質(zhì)剖面結(jié)構(gòu)示意圖

案例砌襯均采取新奧法設(shè)計(jì)，為應(yīng)用柔性支撐防護(hù)結(jié)構(gòu)的混合式砌襯體系，即以拱架、錨、噴、網(wǎng)等構(gòu)成初期支撐防護(hù)，以模注混凝土或者鋼筋混凝土為再次砌襯，并視地質(zhì)和地層基礎(chǔ)條件，加設(shè)小導(dǎo)管超前注漿防護(hù)措施配合施工。初期支撐防護(hù)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(huán)向布設(shè)間距為100 cm，其縱向按梅花型布設(shè)，縱間距取75 cm。仰拱噴層及拱部側(cè)墻厚度均為26 cm，雙層Φ8鋼筋網(wǎng)規(guī)格20 cm×20 cm，模鑄C30鋼混二次砌襯厚50 cm。錨固支撐防護(hù)選用混凝土砂漿級(jí)別強(qiáng)度≥M30。M30混凝土砂漿加添早強(qiáng)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(duì)V級(jí)圍巖體加設(shè)輔助支護(hù)強(qiáng)固措施，隧洞主體進(jìn)口段設(shè)置長30 m的超前管棚支撐防護(hù)，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(dǎo)管超前預(yù)強(qiáng)固措施，注導(dǎo)管選用壁厚3.5 mm、直徑4.2 mm的無縫鋼管。

2 建立數(shù)理模型

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

表1 地層建模參數(shù)

表3 人工填方建模參數(shù)

表4 中通錨壓注漿支護(hù)建模參數(shù)

表5 注導(dǎo)管和管棚建模參數(shù)

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(gòu)?？傮w網(wǎng)絡(luò)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(jì)單元425 015個(gè)，節(jié)點(diǎn)74 115個(gè)。

圖3 總體網(wǎng)絡(luò)模型

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

3 隧洞穿越斷裂層應(yīng)用中通壓注錨桿的模擬分析

當(dāng)掘進(jìn)至Y=212洞段時(shí)，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(duì)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(tài)

由圖5能夠看到，在穿越圍巖斷裂層時(shí)，出現(xiàn)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(yuǎn)離圍巖斷裂層，板底隆起值及拱頂降沉值相對(duì)越小，相較于板底降沉速率，拱頂降沉速率相對(duì)要快；圍巖斷裂層的中性點(diǎn)跟板底隆起及拱頂降沉的最大移位點(diǎn)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(yīng)；拱頂降沉較板底隆起的區(qū)域相對(duì)較寬，響應(yīng)區(qū)域相對(duì)較大。穿越圍巖斷裂部位的拱頂降沉分布狀態(tài)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(jìn)發(fā)展和埋深加大，拱頂降沉幾乎呈直線加增態(tài)勢(shì)；在10 mm以下的洞口附近，降沉最大值出現(xiàn)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(fā)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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)形變后可以提供相對(duì)更大的支撐防護(hù)抗力；②超前區(qū)域注漿防護(hù)，使拱部圍巖體自承能力得到較大強(qiáng)化；③中通壓注漿特種錨桿使得注漿強(qiáng)固區(qū)域更大，把破碎帶松散體在更大范圍內(nèi)形成膠結(jié)體，使圍巖體的整體強(qiáng)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(tài)圖見圖7。通過圖7整體軸力狀態(tài)能夠看到，中通壓注錨桿軸力最大值發(fā)生部位主要集中在圍巖斷裂部位區(qū)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(tài)圖

3.2.1 基于不同斷面的上拱部錨件軸力狀態(tài)

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(tài) /kN

圖8 上拱部錨件軸力分布狀態(tài)圖

由圖8能夠看到，在Y=200剖面處的上拱部錨件發(fā)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(tài)起初近似直線升高，之后迅速降低；越遠(yuǎn)離斷裂層，其上拱部錨件軸力的分布狀態(tài)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(tài)

拱肩錨軸力分布狀態(tài)具體見表7和圖9。

表7 拱肩錨軸力分布狀態(tài) /kN

圖9 拱肩部錨體的軸力分布狀態(tài)

從圖9拱肩部錨體的軸力分布狀態(tài)能夠得出，錨體軸力狀態(tài)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(duì)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(xiàn)為越遠(yuǎn)離圍巖斷裂層則軸力相對(duì)越大，而越遠(yuǎn)離圍巖斷裂層則錨體軸力提升速率相對(duì)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(tài)見表8和圖10。

表8 拱腳錨體軸力分布狀態(tài) /kN

從圖10拱腳錨體軸力分布狀態(tài)圖能夠看到，不同剖面部位的拱腳錨體軸力分布狀態(tài)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(dá)到最大軸力狀態(tài)，之后錨體軸力開始逐漸緩慢降低，直至發(fā)展至錨桿末端。

圖10 拱腳錨體軸力分布狀態(tài)圖

3.3 中通壓注錨移位規(guī)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(fā)生最大錨移位，其最大值可達(dá)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(yuǎn)離圍巖斷裂層的距離而呈現(xiàn)梯次減小態(tài)勢(shì)；拱腳位置的錨體移位相對(duì)不明顯。

圖11 中通壓注錨移位

圖12 圍巖體垂向壓力狀態(tài)

3.4 圍巖體垂向壓力狀態(tài)

經(jīng)過比對(duì)垂向壓力分布狀態(tài)的演變，以起始平衡下的垂向沉降應(yīng)力云狀態(tài)圖為比對(duì)對(duì)象，分析圍巖體應(yīng)力及砌襯的應(yīng)力。本文選擇Y=128剖面部位的垂向沉降應(yīng)力云狀態(tài)圖作為研究對(duì)象。見圖12。

從圖12圍巖體垂向壓力狀態(tài)能夠看到，垂向沉降應(yīng)力的分布狀態(tài)在隧洞附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)移，垂向沉降應(yīng)力在綠色部分的隧洞兩側(cè)內(nèi)壁上，較周邊部分的應(yīng)力值相對(duì)大；隧洞早期支撐防護(hù)錨桿及砌襯把來自上部的應(yīng)力分解傳遞給周邊巖體，發(fā)揮出相關(guān)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(yīng)力相對(duì)要小，這是由于掘進(jìn)導(dǎo)致上拱部巖體失去部分巖體支撐，巖體處在兩向應(yīng)力狀態(tài)，圍巖體逐步向隧洞形變，應(yīng)力重新分布狀態(tài)所導(dǎo)致的。

4 總 結(jié)

本文參考工程案例實(shí)用數(shù)據(jù)，借助離散元FLAC3D模擬計(jì)算分析的方式，對(duì)水工隧洞穿越斷裂層應(yīng)用中通壓注錨桿課題開展了專題分析探究。主要內(nèi)容如下：①參考案例技術(shù)參數(shù)，建立了隧洞穿越斷裂層應(yīng)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(guī)律和圍巖體垂向壓力狀態(tài)，對(duì)隧洞穿越斷裂層應(yīng)用中通壓注錨桿的相關(guān)應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律開展了模擬計(jì)算和分析；③計(jì)算分析揭示，中通壓注漿特種錨桿的桿體在圍巖體出現(xiàn)形變后可以提供相對(duì)更大的支撐防護(hù)抗力；超前區(qū)域注漿防護(hù)，使拱部圍巖體自承能力得到較大強(qiáng)化；中通壓注漿特種錨桿使得注漿強(qiáng)固區(qū)域更大，把破碎帶松散體在更大范圍內(nèi)形成膠結(jié)體，使圍巖體的整體強(qiáng)韌度大幅提升；拱肩部錨體軸力狀態(tài)呈弧線型分布，斷裂層處錨體軸力較其他剖面的都相對(duì)較大，其余剖面的拱肩錨軸力呈現(xiàn)為越遠(yuǎn)離圍巖斷裂層則軸力相對(duì)越大，越遠(yuǎn)離圍巖斷裂層則錨體軸力提升速率相對(duì)越低的規(guī)律；圍巖斷裂層部位的上拱部錨件上發(fā)生最大錨移位，其它上拱部錨件的移位基于遠(yuǎn)離圍巖斷裂層的距離而呈現(xiàn)梯次減小態(tài)勢(shì)；垂向沉降應(yīng)力的分布狀態(tài)在隧洞附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)移，垂向沉降應(yīng)力在綠色部分的隧洞兩側(cè)內(nèi)壁上，較周邊部分的應(yīng)力值相對(duì)大。