新近系紅層軟巖隧道系統(tǒng)錨桿優(yōu)化設(shè)計研究

胡金鑫

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)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(nèi)容。隨著一批軟巖隧道的興建，關(guān)于軟巖隧道穩(wěn)定性及其加固方法的研究獲得了一些進(jìn)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(xiàn)顯著流變性等特點，與一般硬巖差別較大，其圍巖變形機(jī)制研究與支護(hù)設(shè)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(shè)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(dāng)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(xiàn)場測試和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對不同系統(tǒng)錨桿設(shè)置條件下新近系紅層軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力、變形進(jìn)行分析研究，并提出系統(tǒng)錨桿優(yōu)化設(shè)計方案。

2 工程概況

G316線長樂至同仁公路兩當(dāng)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(shè)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(jù)地質(zhì)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(zhì)砂巖，紅褐色，中厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，抗風(fēng)化能力差，遇水易軟化散體，軟硬不均，單軸飽和抗壓強(qiáng)度一般為5.5～15.8MPa，巖體完整性系數(shù)KV=0.65-7.5，地下水不發(fā)育。圍巖級別主要為Ⅴ級。根據(jù)規(guī)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(shù)研究的良好依托工程。

3 現(xiàn)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(xiàn)場試驗斷面布置情況、系統(tǒng)錨桿設(shè)置情況如表1。試驗段地質(zhì)剖面圖如圖1所示。除系統(tǒng)錨桿外，其余支護(hù)參數(shù)均按原設(shè)計執(zhí)行。為保證試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，每個試驗段設(shè)置兩個監(jiān)測斷面。

圖1 試驗段地質(zhì)縱斷面

表1 試驗段監(jiān)測斷面布置情況

3.2 測試內(nèi)容及方法

為便于對比分析，對測點進(jìn)行編號，編號規(guī)則采用測試項目+監(jiān)測斷面編號的形式，現(xiàn)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(shù)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(shù)值模擬計算結(jié)果末尾字符用“j”表示，如GD2j表示數(shù)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(shù)值模擬

本次數(shù)值模擬按隧道埋深、系統(tǒng)錨桿設(shè)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(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，進(jìn)行不同工況之間的對比分析，研究紅層軟巖隧道系統(tǒng)錨桿的作用效果及其對結(jié)構(gòu)受力變形的影響規(guī)律。

表2 工況設(shè)置表

系統(tǒng)錨桿以外的支護(hù)參數(shù)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(hù)參數(shù)，工況3、工況4模擬紅層軟巖隧道深埋段，采用深埋段支護(hù)參數(shù)。

模型中涉及的材料物理參數(shù)為地勘成果及本次研究取得的巖土體參數(shù)。材料物理參數(shù)見表3。有限元分析中采用Drucker—Prager屈服準(zhǔn)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(zhì)；（2）不考慮巖體變形的時間效應(yīng)；（3）不考慮隧道周邊巖體的滲流作用；（4）不考慮遠(yuǎn)處地下水的補(bǔ)給影響；（5）不考慮隧道圍巖的構(gòu)造應(yīng)力。

表3 材料物理參數(shù)表

選取模擬計算過程中上臺階開挖支護(hù)、下臺階開挖支護(hù)、仰拱開挖、初支封閉、施作二襯幾個關(guān)鍵節(jié)點的計算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，對各關(guān)鍵工序設(shè)置工序編號，詳見表4。

表4 工序表

5 結(jié)果分析

對各試驗段現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬各工況計算結(jié)果進(jìn)行匯總整理，提取出關(guān)鍵工序的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，同時提取出數(shù)值模擬對應(yīng)工序的計算值，進(jìn)行對比分析。淺埋段（試驗段1、試驗段2）各測試項目測量結(jié)果及理論計算值對應(yīng)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(jié)果及理論計算值對應(yīng)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(jié)果分析

由試驗和數(shù)值模擬結(jié)果可知：（1）試驗段2初期支護(hù)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(hù)拱頂沉降數(shù)值和水平收斂數(shù)值分別較試驗段1大約10mm、16mm，二者整體差距在7%以內(nèi)；（2）理論計算所得初期支護(hù)變形量與現(xiàn)場實測值存在一定偏差，結(jié)果偏小。僅對比工況1、工況2計算結(jié)果可知，二者初期支護(hù)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(cè)，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(tǒng)錨桿在施工過程發(fā)揮了積極的作用，在下臺階開挖支護(hù)過程中對初期支護(hù)變形控制作用較為明顯，將錨桿間距由75cm（縱）×100cm（環(huán)）調(diào)整為100cm（縱）×100cm（環(huán)），對結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力。

5.2 深埋段結(jié)果分析

由試驗和數(shù)值模擬結(jié)果可知：（1）試驗段4初期支護(hù)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(hù)拱頂沉降數(shù)值和水平收斂數(shù)值分別較試驗段3大約14mm、13mm，二者整體差距在10%以內(nèi)；（2）理論計算所得初期支護(hù)變形量與現(xiàn)場實測值存在一定偏差，結(jié)果偏小。僅對比工況3、工況3計算結(jié)果可知，二者初期支護(hù)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(cè)，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(tǒng)錨桿在施工過程中發(fā)揮了積極的作用，在下臺階開挖支護(hù)過程中對初期支護(hù)變形控制作用較為明顯，將錨桿間距由100cm（縱）×100cm（環(huán)）調(diào)整為100cm（縱）×120cm（環(huán)），對結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力。

6 結(jié)論

通用現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬，對不同系統(tǒng)錨桿設(shè)置條件下新近系紅層軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力、變形進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：

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

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

3）對系統(tǒng)錨桿進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，將淺埋段錨桿間距由75cm（縱）×100cm（環(huán)）調(diào)整為100cm（縱）×100cm（環(huán)），將深埋段錨桿間距由100cm（縱）×100cm（環(huán)）調(diào)整為100cm（縱）×120cm（環(huán)），對結(jié)構(gòu)受力影響有限，沒有大幅降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力。