地質順層偏壓隧道錨桿支護參數優化及施工技術研究

楊曉輝

(中鐵十二局集團第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

地質順層偏壓隧道是指當隧道穿越傾斜層狀結構巖體時，由于各個分層之間節理、結構面的存在，圍巖自穩能力差。受隧道開挖擾動空間效應影響，圍巖可能隨軟弱結構面滑動，從而導致圍巖應力分布和變形呈非對稱特征，支護結構承受非對稱的偏壓荷載[1]。目前的隧道支護設計均基于新奧法，根據圍巖級別進行支護參數的選取，錨桿一般采用全斷面均勻設計，這種設計方法雖然能夠保證施工的安全，但會造成極大的人工和材料浪費。

韓昌瑞等[2]推導了層狀巖體各向異性彈性模量的表達式，并嵌入到FLAC3D中，模擬隧道開挖過程中洞周塑性區和錨桿軸力分布特征。He等[3]利用離散元軟件UDEC，分析了不同巖層角度對應力分布的影響和隧道破壞模式，提出了錨桿與巖層的合理夾角。張建智等[4]推導了層狀圍巖隧道Airy應力彈性函數解析式，分析了順層地質偏壓條件下隧道洞周應力集中程度。劉科[5]建立了Phase2D有限元數值模型，研究層狀結構面傾角、間距對隧道穩定性影響，為錨桿支護設計提供依據。裴曉彤等[6]利用有限元軟件ABAQUS，建立節理軟弱結構面的二維隧道模型，分析了地質偏壓隧道的圍巖壓力及襯砌結構內力，以及結構面摩擦效應。王永春[7]以勐遠隧道極軟巖施工為研究對象，參考超前地質預報及監控量測數據，優化支護參數控制洞周非對稱大變形。戚祥昌[8]建立了基于順層偏壓現場監測數據的分析方法，實現了復雜地質環境下大斷面隧道動態修建，即邊設計、邊施工。龐建軍等[9]采用有限元數值模擬，研究層狀巖體結構面產狀與隧道軸線三維相對關系，以及對隧道非對稱變形的影響。王樂平[10]分析了現場隧道變形的空間特點，發現順層偏壓隧道拱腳處圍巖壓力最大、拱腰處鋼拱架彎矩最大，給出了隧道圍巖的非連續變形特點。牛奔[11]采用MIDAS/GTS軟件，分別研究地質構造偏壓隧道在不同的全斷面法、上下臺階法施工時的變形全過程，并給出相應施工對策。

現階段對地質順層偏壓隧道的圍巖應力分布、圍巖變形和支護結構承受荷載的特征研究較多，但針對隧道非對稱變形和偏壓荷載的支護設計優化應用研究較少。不同圍巖等級和地質構造下錨桿的作用機理是不同的，現有數值模擬多采用有限元軟件或有限差分的方法，但有限元和有限差分方法主要是針對連續體、小變形，而層狀節理圍巖結構為非連續體，在隧道開挖后順層圍巖各層可能出現一定滑動，采用有限元分析顯然與實際有一定差距。因此，本文結合大坡嶺隧道出口左線圍巖、節理特征，考慮層狀圍巖傾角造成隧道偏壓現象，利用離散元程序UDEC建立數值計算模型，設計6種數值計算工況，分析地質順層偏壓隧道圍巖變形和支護結構受力特點，對原支護設計方案進行了優化，為今后類似隧道的設計、施工提供借鑒和參考。

2 工程背景

2.1 隧道概況

武漢至十堰高速鐵路是中國“八縱八橫”高速鐵路網中部地區與西北地區間的便捷聯系通道，大坡嶺隧道位于湖北省襄陽市谷城縣境內，線路近西北走向約320°～350°。Ⅳ級圍巖，現場是中風化泥質粉砂巖為主，單塊巖石抗壓強度較高，錘擊聲較清脆，屬較堅硬巖，圍巖節理裂隙較發育，巖體較破碎，整體圍巖穩定性較差，不能自穩。中風化巖體節理微張-閉合為主，節理面泥質填充為主或局部砂質填充，結構面結合程度差至一般，巖體現場照片如圖1所示。通過現場量測，巖層傾斜角度為65°。

圖1 大坡嶺隧道掌子面泥質粉砂巖節理發育巖體

2.2 原設計支護參數

該段設計采用Ⅳ型結構，原設計為:φ22藥卷系統錨桿，長度為3.0 m，間距為100 cm×120 cm。

3 地質順層偏壓隧道數值模擬

3.1 離散元數值模擬計算模型

數值模擬采用離散元UDEC程序，可以模擬節理巖體的剪切滑移破壞和結構面的張開過程，能夠較真實反映節理巖體隧道的失穩模式，其中的錨桿單元能夠體現其支護效果。該程序有其獨特的優點，在巖土工程領域具有較好的應用前景。

參考大坡嶺隧道出口左線，里程ZK11＋888，隧道埋深76.9 m，層狀圍巖傾角為65°。節理間距0.4 m，離散元數值模擬橫向為100 m，下邊界至隧道仰拱35 m，上邊界取至地表，左右邊界和下邊界均采用位移約束，計算模型如圖2所示。

圖2 地質順層偏壓隧道圍巖錨桿數值模型

根據地質勘察報告和鐵路隧道設計規范[12]，巖塊和節理參數如表1、表2所示。

表1 巖塊物理力學參數

表2 節理面參數取值

3.2 計算工況

錨桿從內部加固圍巖，有效提高圍巖粘聚力、摩擦角和剛度，最終改善其穩定性。在目前的建設工程中，錨桿得到廣泛的成功應用，但其合理布置形式和長度仍然不清楚。針對目前的Ⅳ級圍巖，進行錨桿支護參數優化，并提出合理設計方案。地質順層偏壓Ⅳ級圍巖錨桿計算工況如表3所示。限于篇幅，這里僅給出工況1和工況4的錨桿分布，如圖3所示。

表3 地質順層偏壓隧道錨桿計算工況

圖3 地質順層偏壓隧道錨桿打設示意(單位：cm)

3.3 計算結果

(1)圍巖應力

隧道開挖強卸荷引起一定范圍內圍巖應力釋放和轉移，順層偏壓巖層層面之間發生相對滑動，不同錨桿施工方案下，主應力分布不同。限于篇幅，這里僅給出工況1和工況4主應力重分布特征，如圖4所示。

從圖4看出，節理面影響著主應力分布形式，在地質偏壓條件下，主應力呈現不對稱分布。錨桿施加后，改變了主應力的大小和方向，最大主應力和最小主應力方向不再是切向和徑向。節理面相對巖塊來說參數要低得多，應力在與不連續面平行方向應力釋放，分布較均勻，巖體松弛明顯，甚至出現了拉應力。在節理面附近發生應力集中，且分布不均勻。因此，地質結構產狀與圍巖受力直接相關。各層巖體相當于獨立承載的懸臂梁，由于層狀巖體的抗彎能力不強，不能承受或只能承受較小的應力，容易發生彎折破壞，容易使結構面產生剪切滑移或張開。對于傾斜層狀圍巖(巖層傾角65°)在隧道開挖后，節理面從根本上改變了圍巖應力分布，采用不同的錨桿支護方案，不僅會影響主應力的方向，也會影響其大小，最大主應力和最小主應力方向不再是切向和徑向。

圖4 隧道圍巖主應力分布特征

順層地質偏壓條件下，隧道左拱肩和右墻腳部位應力明顯大于對稱部位應力，因而造成了非對稱性(見圖4)，不同錨桿工況下地質偏壓隧道主應力如圖5所示。

圖5 地質順層偏壓隧道主應力與錨桿工況關系曲線

從圖5看出，工況6(不打錨桿)容易導致圍巖應力集中，影響其穩定性。工況4和工況5圍巖應力控制效應基本一致，從安全和經濟的角度，并且具有一定的安全儲備，建議錨桿支護采用工況4。

(2)位移影響

位移作為最直觀的監控量測結果，具有很強的可操作性，因此，常常當成圍巖穩定性評判標準。不同錨桿施工方案下，地質順層偏壓地層圍巖位移矢量分布如圖6所示。

圖6 地質順層偏壓隧道圍巖位移矢量(單位：m)

從圖6中可以看出，開挖使得隧道上部圍巖失去支撐，而結構面參數較弱，沿節理面剪切滑移較大，產生向洞內位移。最大的位移發生在右拱肩和左拱腳，具有明顯不對稱性，峰值達9.8 mm。對于傾向巖層，沿著傾斜的一方，易造成巖塊滑移，位移大大增加，甚至斜頂鼓起，破壞模式表現為節理面滑移。根據地質順層地段偏壓隧道圍巖位移的分布特點，可考慮采用不對稱的錨桿支護設計，如增加左側錨桿長度和范圍，右側采用較小的長度和范圍，以提高層狀地質偏壓結構的安全性和強度。

對不同錨桿支護方案的圍巖變形進行分區處理，不同變形梯度區域面積與錨桿工況的關系如圖7所示。

圖7 地質順層偏壓隧道圍巖擾動區面積

從圖7中看出，錨桿可以有效地減小圍巖擾動范圍，對于洞周有滑動危險的巖塊產生了銷釘作用。錨桿是唯一從內部補強圍巖手段，提高裂隙圍巖抗剪強度，改善圍巖的物性指標，將一些不連續的巖塊聯系在一起。從錨桿作用“增強節理面抗變形能力和抗剪切強度”、“提高節理面法向剛度和剪切剛度效果”兩方面著手減小節理面間剪切滑移，從而增強其穩定性。工況6(不打錨桿)容易導致圍巖失穩，變形較大。工況4和工況5圍巖應力控制效應基本一致，從安全和經濟角度，建議工況4的方案(有利側60°范圍3 m錨桿；不利側30°范圍2.5 m錨桿)。錨桿主要起提高節理面法向剛度和剪切剛度效果，從而增強節理面的抗變形能力和抗剪切強度，減小節理面間剪切滑移。

(3)錨桿軸力

錨桿軸力把松動巖塊穩固(懸吊)在穩定巖層上，防止破碎巖塊、冒落；使破碎巖體具有完整性，因而增強錨固區圍巖土體強度(如彈性模量E、凝聚力c等)，不同布錨方案下，錨桿軸力分布形式如圖8所示。

圖8 地質順層偏壓隧道錨桿軸力(單位：N)

地質順層偏壓的存在，形成一個高密度的偏壓荷載，總體隧道兩側錨桿軸力差值增大，而且左側明顯大于右側，巖層順弱勢節理面滑動趨勢增大，洞周破壞主要取決于節理面強度。通過錨桿軸向拉作用，使得各分層在發生整體彎曲，表現出組合梁，提高節理巖體的剛度和強度。從圖8看出，左側錨桿軸力普遍大于右側，錨桿的拱部偏左(與節理面成大角度相交)，才能發揮錨桿的錨固效果，而右側(有利側)錨桿效果相對較差。在施工條件允許的條件下，錨桿打設方向盡量與節理垂直。

(4)初期支護內力

地質順層偏壓隧道在錨桿工況4(有利側60°范圍3 m錨桿；不利側30°范圍2.5 m錨桿)，初期支護軸力計算結果如圖9所示。

圖9 非對稱錨桿支護隧道初期支護軸力(單位：N)

從圖9看出，地質偏壓的存在，導致初期支護結構非對稱受力，其中左側主要承受彎矩、軸力較小；右側承受壓力為主。但是整個初期支護軸力較小，錨桿工況4條件下隧道安全。

綜合圍巖位移、應力分布和錨桿軸力分析結果，從經濟和安全的角度出發，建議工況4的方案(有利側60°范圍3 m錨桿；不利側30°范圍2.5 m錨桿)，如圖3b所示。即，φ22藥卷局部錨桿，拱部不利側60°范圍，長度為3.0 m；有利側30°范圍，長度為2.5 m，間距為100 cm×120 cm，節約鋼筋57.6%。

4 結論

結合武漢至十堰高速鐵路大坡嶺隧道地質順層偏壓的特點，在現場掌子面結構面信息量測的基礎上，開展離散元數值模擬，分析不同錨桿支護方案條件下圍巖應力分布、非連續變形。

(1)通過現場量測，獲得大坡嶺隧道傾斜層狀圍巖傾角65°，在隧道開挖后，節理面從根本上改變了圍巖應力分布。各層巖體均相當于獨立的處于受彎剪狀態懸臂梁，抗彎能力不強，容易發生彎折破壞，使結構面產生剪切滑移或張開。

(2)順層偏壓隧道受力狀態與結構面產狀關系，最大主應力和最小主應力發生在節理面附近。從錨桿受力機理看，相當于提高結構面的剪切剛度，控制開挖過程中，巖體順節理面的剪切。

(3)結合大坡嶺隧道順層偏壓工程特點，進行了隧道錨噴支護參數優化，結果表明僅保留隧道左側拱頂60°范圍內錨桿(錨桿長度3 m)和右側30°范圍內錨桿(錨桿長度2.5 m)的非對稱支護模式，雖然相比全斷面均勻支護形式圍巖變形有少量增加，但最終趨于穩定，能夠保證隧道施工期間的穩定性，可節約鋼筋50%以上。

(4)由于地質順層偏壓的存在，隧道左側錨桿軸力值明顯大于右側，錨桿支護在拱部偏左，且與節理面成大角度相交，才能發揮錨桿的錨固效果，而右側(有利側)錨桿效果相對較差，錨桿打設方向盡量與節理垂直，或大角度相交。