隧道橫斷面精細分區下系統錨桿布設最優組合

張 力, 董興舒, 孫建光, 傅鶴林

(1.中交第四公路工程局有限公司, 北京 100022； 2. 中南大學土木工程學院, 長沙 410075)

隨著經濟的高速發展,中國對于交通建設的要求不斷提高,公路隧道以每年960 km左右的增長速度位于世界首位[1]。隧道建設的安全性和經濟性作為設計施工的兩大控制指標,如何在保證安全性的前提下控制投資成本一直是廣大學者孜孜以求的目標[2-4]。隧道建設中復合式襯砌被廣泛使用,系統錨桿作為其重要組成部分。然而,針對系統錨桿的研究仍處于探索階段,在隧道設計中工程類比法作為主流設計方法,使得隧道設計受荷特征與現場時效匹配不足,多造成工程風險或資源浪費[5-7]。

目前對于隧道系統錨桿方面的研究,部分學者認為隧道可以全部取消系統錨桿,以減少施工工序使隧道支護盡早封閉產生作用；另一種認為系統錨桿不可取消,但在一定條件下可以對錨桿長度、直徑、間距等參數進行優化。陳建勛等[8-9]通過現場測試和統計分析研究了土質隧道系統錨桿受力特征,結果表明,鋼架支護條件下系統錨桿對土質圍巖隧道作用不大；在石質圍巖隧道方面,黃海昀等[10]研究表明在石質圍巖隧道系統錨桿未發揮作用,并對無系統錨桿支護條件進行數值模擬驗證后在現場進行推廣。

在軟弱圍巖和堅硬完整圍巖之間的隧道往往不能采取直接取消系統錨桿的極端優化方案,對系統錨桿參數進行優化成為主要途徑。很多專家學者通過現場試驗和數值模擬對系統錨桿進行研究,主要成果有：榮耀等[11]研究表明在保證隧道拱架、噴射混凝土等初期支護效果的前提下可適當弱化系統錨桿參數；宋遠等[12]在土砂圍巖隧道中研究了系統錨桿作用機理,表明隧道拱部可取消或減少系統錨桿；徐國等[13]在重慶地鐵四號線中研究了系統錨桿受荷特征,通過模擬預留核心土雙側壁導坑法的施工過程對系統錨桿長度和間距進行了優化。

上述研究對系統錨桿參數優化較為系統,對于系統錨桿不可取消的情況下支護參數如何優化提出了諸多方案,但均為整體橫斷面的統一優化,對于隧道橫斷面能否進行分區精細優化方面研究較少。現對香樹坳左線隧道橫斷面進行分區,基于數值模擬對各區域的系統錨桿參數敏感性差異進行研究,得出各區域系統錨桿長度、直徑、環向間距、橫向間距的敏感性排序,為隧道初期支護精細優化提供依據和參考。

1 工程概況

1.1 地形地貌與水文條件

貴州江玉高速香樹坳隧道位于貴州省閔孝鎮,如圖1所示,該隧道為分離式雙洞隧道,單洞設計為10.25 m×7.10 m,兩洞相距32 m,左線起止里程樁號ZK7+560～ZK9+225,長1 665 m,隧道路面進口設計高程515.04 m,出口設計高程560.93 m。隧址區地處云貴高原向湘西丘陵過渡的斜坡地帶,屬低山構造溶蝕侵蝕地貌。線路總體地勢西北低,東南高,最高點位于馬章嶺頂部,高程為826 m,軸線地面最低處位于隧道進口,高程為515.40 m,相對高差310 m。

1.2 工程地質特性

據工程地質測繪及初勘鉆探揭露,隧址區的地層為:上覆為第四系松散殘坡積成因的黏土及崩坡積成因的塊石土,底部基巖為寒武系下統變馬沖組頁巖、寒武系下統變清虛洞組灰巖、寒武系下統杷榔組鈣質頁巖。

1.3 支護參數及施工工法

隧道按新奧法施工原理進行洞身結構設計,支護采取復合式襯砌。本文以香樹坳隧道左線ZK8+888斷面為研究對象,該斷面圍巖等級為Ⅳ級,巖層產狀為358°∠39°。由圖2可知,初期支護采用C25噴射混凝土(厚度20 cm)、φ20 mm藥卷錨桿(長度3.0 m)間距80 cm×120 cm(縱×環)、φ6.5 mm鋼筋網(間距25 cm×25 cm)、拱架采用I16(間距80 cm)、預留變形量8 cm,防水層采用350 g/m2無紡土工布及防水板,二次襯砌采用40 cm厚C30素混凝土。

圖2 隧道支護方案

由圖3可知,施工采用上下斷面正臺階法施工,上下臺階間距為(1～1.5)B(B為隧道洞跨)屬于短臺階上開挖。

圖3 短臺階法開挖

2 系統錨桿主控因素分析

2.1 試驗設計

2.1.1 正交試驗設計

正交設計試驗是研究多因素多水平的一種試驗設計方法,根據正交性均勻挑選出部分代表性試驗進行研究,可以達到減少試驗次數并能很好反映試驗現象。系統錨桿對隧道支護效果影響因素眾多,目前常見的因素有錨桿長度、直徑、環向間距、縱向間距。考慮到其他未知因素和誤差,本文選用L16(45)正交表進行試驗,正交試驗因數水平如表1所示,其中空白因素代表未知因素與誤差總和,可作為衡量未知因素與誤差對試驗的影響程度。

表1 支護參數正交設計水平

2.1.2 隧道分區

根據隧道斷面將隧道橫斷面劃分為左拱腰、左拱肩、拱頂、右拱肩、右拱腰5個分區,每個分區角度為43°,隧道分區如圖4所示。對每個分區單獨進行一套L16(45)正交試驗,數值計算時不施加研究區域外的系統錨桿,評定各區系統錨桿對隧道圍巖沉降的影響。

s為系統錨桿環向間距；l為系統錨桿長度

2.2 模型建立與計算參數

為研究系統錨桿主控因素差異性,選取香樹坳隧道左線ZK8+888斷面,采用有限元軟件對隧道進行數據建模計算。隧道巖層考慮節理,因此圍巖采用遍布節理模型,初支噴射混凝土概化為實體并采用摩爾庫倫模型,開挖區域定義為空模型,系統錨桿和鎖腳錨桿采用Cable單元,鋼拱架采用Beam單元。如圖5所示,隧道左右兩線間距為32 m,大于3倍洞跨可忽略兩洞間影響,計算時做單洞考慮。隧道模型尺寸為62.5 m×50.2 m×50 m(長×寬×高),模型四周邊界施加法向位移約束,模型底部限制豎向位移,同時四周施加初始應力邊界條件,未考慮的188.75 m上覆巖層等效為均布應力作用于模型頂部。通過Rhinoceros軟件結合Griddle插件建立模型并劃分網格,最終導入Flac3D進行隧道開挖計算,模型共生成298 272個網格單元,186 652個節點。

表2 正交試驗設計表

圖5 數值模型圖

依據《公路隧道設計細則》(JTA/T D70—2010)、《公路隧道設計規范》(JTA 3370.1—2018)以及設計院提供的資料,數值模擬計算參數如表3所示。

表3 數值計算參數

2.3 計算結果

在模擬隧道開挖過程中,按照合理開挖工序,采取短臺階開挖方式,上下臺階間距12 m,每步開挖2.4 m,開挖完成后進行系統錨桿、鎖腳錨桿、鋼拱架的布設,最后噴射混凝土的實現。按照此順序直至隧道開挖完畢,最終得到隧道圍巖最大沉降值。

按照香樹坳隧道施工與支護參數對設計工況進行數值仿真計算,對比計算結果與現場實測數據。根據結果選取三個較為典型數據進行對比擬合,如圖6所示,在香樹坳隧道ZK8+888斷面拱頂沉降、左拱肩拱架應變和左拱腰拱架應變的數值仿真結果與現場實測數據吻合良好,現場實測數據與數值仿真結果之間變化趨勢一致,且最終穩定結果接近,驗證了數值仿真模型的可靠性。

圖6 隧道監測曲線

對試驗數據進行整理,并利用正交試驗極差分析方法處理數據。極差分析不考慮各因素之間相互影響,認為每個因素是獨立,可以根據極差結果大小判斷出系統錨桿各因素對圍巖沉降敏感度,極差結果越大對結果影響越大,同時可以得出最優因素水平組合。

如表4所示,左拱腰環向間距極差最大,縱向間距極差最大,表明左拱腰區域系統錨桿環向間距對圍巖沉降影響最大,縱向間距對圍巖沉降影響最小。左拱腰影響隧道拱頂圍巖沉降的系統錨桿主次順序為:C-B-E-A-D；隧道左拱肩系統錨桿影響拱頂圍巖沉降敏感度排序為A-D-B-C-E；而在隧道拱頂處C-A-B-E-D五個因素對拱頂圍巖沉降的影響依次降低；在右拱肩處系統錨桿對拱頂圍巖沉降影響次序為:D-C-B-E-A；隧道右拱腰處系統錨桿參數對圍巖沉降影響次序為D-C-A-B-E。根據不同參數各區域敏感度數值總和,整體而言環向間距>縱向間距>直徑=長度,其中錨桿長度敏感度相比于錨桿直徑在各分區變化較大。數值仿真結果與凌同華等[14]關于淺埋偏壓隧道中系統錨桿環向間距敏感性大于系統錨桿長度基本一致；同時與韓秀等[15]基于全斷面整體研究的系統錨桿參數敏感性研究結果中的直徑>環向間距>縱向間距>長度的結論有所差異,表明分區下的系統錨桿參數敏感性研究更為精細化。

表4 沉降極差分析結果

將各區域系統錨桿參數敏感度排序,如圖7所示,敏感性越高數值越大,空白因素對于拱頂圍巖沉降的影響敏感度除左拱腰外,其余區域都小于3,表明試驗誤差與其他未考慮的因素對本次正交試驗的影響較小,可以不做考慮。隧道各區域系統錨桿的直徑對隧道變形影響敏感度除右拱腰處都小于4,因此可適當選擇小直徑系統錨桿,節約隧道建設資金投入,將資金加強其他敏感度較高的系統錨桿參數上。環向間距在拱頂和左拱腰處對隧道拱頂圍巖沉降影響的敏感度最大,錨桿長度在左拱肩對拱頂圍巖沉降影響程度最大；而縱向間距在右拱肩和右拱腰處對隧道拱頂圍巖沉降的影響最大,環向間距次之,因此在隧道設計和施工中應避免在各區域隨意改變系統錨桿最敏感因素,防止隧道發生較大變形而造成危險。

圖7 區域敏感度排序

如圖8所示,正交試驗設計結果表明,隧道左拱腰最優因素水平組合為A1B2C2D1；左拱肩和拱頂最優組合都為A4B4C1D3,而右拱肩A1B2C2D4為最優組合,在左拱腰處A4B2C3D3為最優組合。

圖8 區域最優組合

2.4 系統錨桿全斷面最優組合效應分析

根據正交試驗結果,對各區域系統錨桿最優組合進行全斷面布設,研究初期支護下系統錨桿受載特征與設計工況之間的差異。

圖9結果表明,研究斷面上臺階開挖和下臺階開挖兩個階段隧道圍巖豎向位移均呈非對稱分布,左側位移較右側大,豎向沉降在拱頂處最大；拱頂系統錨桿向下沉降位移較大,在拱腰處系統錨桿主要為向上的豎向位移,且左拱腰系統錨桿向上的豎向位移最大；隨著隧道不斷掘進,豎向沉降逐漸增大,且在兩個階段的設計工況最大沉降大于最優組合工況,最優組合工況在隧道開挖過程中能更好控制圍巖應變。如圖10所示,研究斷面上臺階開挖和下臺階開挖兩個階段圍巖最大主應力與圍巖豎向位移分布相似,在隧道兩側呈均似對稱分布,右側圍巖最大主應力較左側大；隨隧道不斷掘進,圍巖最大主應力逐漸增大,設計工況與最優組合工況均增加了2倍以上；系統錨桿最大主應力中間大,桿端較小,拱頂與拱肩處系統錨桿受力明顯大于拱肩處,符合現有認知。設計工況與最優設計工況圍巖豎向位移與最大主應力分布云圖一致,僅在數值上存在差別,系統錨桿參數改變只會改變圍巖受載特征最大值,對于受載特征分布影響較小。

圖9 圍巖豎向位移云圖

圖10 圍巖最大主應力云圖

為進一步分析最優組合與設計工況受載特征差異,經過統計得到最優組合與設計工況受荷特征極值結果如表5所示。除拱架最大沉降位移外,最優組合系統錨桿較設計工況在圍巖、拱架、錨桿的最大沉降和最大主應力都有所減小。其中系統錨桿豎向沉降改善較其他沉降最為明顯,比設計工況減小了0.277 9 mm,為設計工況的3.76%,這主要由于在拱頂處增加了系統錨桿長度使得上部圍巖自承能力較設計工況高。同樣最大主應力方面也是系統錨桿最大主應力差值最為明顯,達到了1.1 MPa,系統錨桿最大主應力差值變化率為拱架的3.17倍。表明系統錨桿的最優組合對其本身的受荷特征參數改善較大,對于隧道圍巖與拱架改善較小。

表5 受載參數差值分析

3 結論

目前在解決工程類比法設計與現場施工難以匹配良好的問題上,系統錨桿設計與優化在工程實際中產生分歧與矛盾。為提高隧道初期支護系統錨桿優化精細度,本文以貴州江玉高速香樹坳隧道為依托,利用數值模擬對系統錨桿進行分區研究,明晰圍巖沉降對各區域系統錨桿長度、直徑、環向間距、縱向間距等參數敏感度差異。研究結果表明:

(1)系統錨桿長度、直徑、環向間距、縱向間距為圍巖變形的主要影響因素,對于其他潛在因素和試驗誤差對圍巖變形影響較小并可忽略。

(2)結合敏感度數值,整體而言環向間距>縱向間距>直徑=長度,其中錨桿長度相比于錨桿直徑在各分區變化較大。在對系統錨桿進行參數優化時調整環向間距與縱向間距最為有效,由于錨桿長度在不同區域敏感度波動較大,應避免對錨桿長度進行改變。

(3)改變系統錨桿參數對圍巖和支護構件應力應變分布特征影響較小,而對其應力應變極值影響較大。

(4)改變系統錨桿參數對改善其本身受荷特征改善大于對周邊圍巖和其他支護構件,系統錨桿本身受荷特征改善效果最大可達周邊圍巖和其他支護構件改善效果的3.17倍。