新近系紅層軟巖隧道系統錨桿優化設計研究

胡金鑫

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

甘肅紅層分布廣泛，是西北紅層的重要組成部分，伴隨國家交通基礎設施建設的迅猛發展，越來越多的公路隧道修建或擬建于紅層軟巖中。軟巖隧道一直是隧道工程的一個重要研究內容。隨著一批軟巖隧道的興建，關于軟巖隧道穩定性及其加固方法的研究獲得了一些進展[1-5]。新近系紅層因時代新、成巖作用差，具有巖體軟弱、遇水后易軟化、呈現顯著流變性等特點，與一般硬巖差別較大，其圍巖變形機制研究與支護設計方法尚不成熟。錨噴加固作為紅層軟巖隧道最常用最有效的方法之一，其設計理論尚不完善，需要在實踐中不斷摸索完善。

文章擬以G316線長樂至同仁公路兩當縣楊店（甘陜界）至徽縣李家河段高速公路徽州1#隧道為依托，采用現場測試和數值模擬相結合的方法，對不同系統錨桿設置條件下新近系紅層軟巖隧道支護結構的受力、變形進行分析研究，并提出系統錨桿優化設計方案。

2 工程概況

G316線長樂至同仁公路兩當縣楊店（甘陜界）至徽縣李家河段高速公路主線全長45.2km，共設隧道9座，總長度19.4km。徽州1#隧道全長3330m，最大埋深為255m。隧道截面為三心拱形，洞寬10.86m，高8.63m。凈空斷面積約為62.79m2，屬深埋大斷面隧道。

依據地質勘察成果，徽州1#隧道洞身段巖性主要為新近系砂礫巖、泥質砂巖，紅褐色，中厚層狀構造，泥質膠結，抗風化能力差，遇水易軟化散體，軟硬不均，單軸飽和抗壓強度一般為5.5～15.8MPa，巖體完整性系數KV=0.65-7.5，地下水不發育。圍巖級別主要為Ⅴ級。根據規范和軟巖按工程分類的定義，隧道圍巖為軟巖～極軟巖[6]，是新近系紅層軟巖隧道修建技術研究的良好依托工程。

3 現場測試

3.1 測試方案概況

選取徽州1#隧道YK36+450～YK36+490，YK36+300～YK36+340分別作為淺埋段和深埋段試驗段，現場試驗斷面布置情況、系統錨桿設置情況如表1。試驗段地質剖面圖如圖1所示。除系統錨桿外，其余支護參數均按原設計執行。為保證試驗數據準確，每個試驗段設置兩個監測斷面。

圖1 試驗段地質縱斷面

表1 試驗段監測斷面布置情況

3.2 測試內容及方法

為便于對比分析，對測點進行編號，編號規則采用測試項目+監測斷面編號的形式，現場測試項目包括：GD-拱頂沉降；SL-水平收斂；MZ-錨桿軸力。拱頂沉降和水平收斂測點布置如圖2所示，錨桿軸力測點具體布置如圖3所示。MZ11（MZ31）末尾數字表示測試錨桿編號，每根錨桿上布置4個錨桿軸力計，即4個測點。數值模擬計算結果末尾字符用“j”表示，如GD2j表示數值模擬工況2計算所得拱頂沉降值。

圖2 位移測點布置示意圖

圖3 錨桿軸力測點布置示意圖

4 數值模擬

本次數值模擬按隧道埋深、系統錨桿設置情況分為4種工況，詳見表2。工況1、工況1為淺埋段對比組，工況3、工況4為深埋段對比組。結合現場實測數據，進行不同工況之間的對比分析，研究紅層軟巖隧道系統錨桿的作用效果及其對結構受力變形的影響規律。

表2 工況設置表

系統錨桿以外的支護參數分淺埋段和深埋段兩種，工況1、工況2模擬紅層軟巖隧道淺埋段，采用淺埋段支護參數，工況3、工況4模擬紅層軟巖隧道深埋段，采用深埋段支護參數。

模型中涉及的材料物理參數為地勘成果及本次研究取得的巖土體參數。材料物理參數見表3。有限元分析中采用Drucker—Prager屈服準則。計算模型有以下基本假定：（1）巖體為各向同性均勻的理想彈塑性介質；（2）不考慮巖體變形的時間效應；（3）不考慮隧道周邊巖體的滲流作用；（4）不考慮遠處地下水的補給影響；（5）不考慮隧道圍巖的構造應力。

表3 材料物理參數表

選取模擬計算過程中上臺階開挖支護、下臺階開挖支護、仰拱開挖、初支封閉、施作二襯幾個關鍵節點的計算數據進行對比分析，對各關鍵工序設置工序編號，詳見表4。

表4 工序表

5 結果分析

對各試驗段現場監測數據及數值模擬各工況計算結果進行匯總整理，提取出關鍵工序的現場監測結果，同時提取出數值模擬對應工序的計算值，進行對比分析。淺埋段（試驗段1、試驗段2）各測試項目測量結果及理論計算值對應的時程曲線如圖4～圖6所示。深埋段（試驗段3、試驗段4）各測試項目測量結果及理論計算值對應的時程曲線如圖7～圖9所示。

圖4 拱頂沉降時程曲線圖

圖5 水平收斂值時程曲線圖

圖6 錨桿軸力對比圖

圖7 拱頂沉降時程曲線圖

圖8 水平收斂值時程曲線圖

圖9 錨桿軸力對比圖

5.1 淺埋段結果分析

由試驗和數值模擬結果可知：（1）試驗段2初期支護各工序的累計變形量略大于試驗段1，試驗段1各工序施工引起的變形相對更均勻，二襯施作前，試驗段2初期支護拱頂沉降數值和水平收斂數值分別較試驗段1大約10mm、16mm，二者整體差距在7%以內；（2）理論計算所得初期支護變形量與現場實測值存在一定偏差，結果偏小。僅對比工況1、工況2計算結果可知，二者初期支護變形量差距較小；（3）拱部錨桿均受拉，軸力普遍偏小，單根錨桿最大軸力均位于臨空側，試驗段1錨桿軸力整體上略小于與試驗段2錨桿，差值在1～5kN之間。

可見系統錨桿在施工過程發揮了積極的作用，在下臺階開挖支護過程中對初期支護變形控制作用較為明顯，將錨桿間距由75cm（縱）×100cm（環）調整為100cm（縱）×100cm（環），對結構受力影響有限，雖然下臺階開挖時變形增加明顯，但沒有大幅降低支護結構的承載能力。

5.2 深埋段結果分析

由試驗和數值模擬結果可知：（1）試驗段4初期支護各工序的累計變形量略大于試驗段3，試驗段3各工序施工引起的變形相對更均勻，二襯施作前，試驗段4初期支護拱頂沉降數值和水平收斂數值分別較試驗段3大約14mm、13mm，二者整體差距在10%以內；（2）理論計算所得初期支護變形量與現場實測值存在一定偏差，結果偏小。僅對比工況3、工況3計算結果可知，二者初期支護變形量差距較小；（3）拱頂附近錨桿受壓，拱腰、拱腳部位錨桿主要受拉，，軸力普遍偏小，單根錨桿最大軸力均位于臨空側，試驗段3錨桿軸力整體上略小于與試驗段4錨桿，差值在1～5kN之間。

可見系統錨桿在施工過程中發揮了積極的作用，在下臺階開挖支護過程中對初期支護變形控制作用較為明顯，將錨桿間距由100cm（縱）×100cm（環）調整為100cm（縱）×120cm（環），對結構受力影響有限，雖然下臺階開挖時變形增加明顯，但沒有大幅降低支護結構的承載能力。

6 結論

通用現場測試和數值模擬，對不同系統錨桿設置條件下新近系紅層軟巖隧道支護結構的受力、變形進行分析研究，得出以下結論：

1）對于紅層軟巖隧道，系統錨桿在施工過程中發揮著積極作用，在下臺階開挖支護過程中對初期支護的變形控制作用較為明顯。

2）紅層軟巖隧道系統錨桿軸力普遍偏小，小于設計錨固力50%以上，且深埋段拱頂附近錨桿受壓，系統錨桿錨固作用不及設計預期。

3）對系統錨桿進行適當優化，將淺埋段錨桿間距由75cm（縱）×100cm（環）調整為100cm（縱）×100cm（環），將深埋段錨桿間距由100cm（縱）×100cm（環）調整為100cm（縱）×120cm（環），對結構受力影響有限，沒有大幅降低支護結構的承載能力。