滇西南單線鐵路隧道薄層軟巖錨桿參數優化

吳清祿　張慶文

摘 要：在薄層軟巖隧道施工過程中，圍巖極易發生大變形造成初期支護侵限。為此，依托某薄層軟巖隧道工程，基于遍布節理屈服準則，采用有限差分軟件（FLAC 3D）對比分析不同錨桿長度和不同錨桿的布置方式對圍巖變形控制效果的影響。研究結果表明：（1）采用非對稱式錨桿設計比采用全環均勻式錨桿設計更能有效的減小薄弱部位圍巖變形;（2）在一定范圍內增加錨桿長度，能有效改善錨桿受力和限制圍巖塑性區發展，但對圍巖位移抑制效果并不明顯;（3）該成果可為薄層軟巖隧道初期參數優化提供參考。

關鍵詞：薄層軟巖;大變形;初期支護;錨桿

中圖分類號：U25? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0150-02

我國隧道工程建設正向長大、深埋方向發展，建設穿越地質環境惡劣的薄層軟巖區的長大隧道工程已不可避免。目前，已有學者對層狀圍巖變形特征[1～3]和隧道初期支護參數優化進行了研究。在不考慮隧道縱向開挖方式和流變等因素的影響，得出支護結構破壞往往發生在節理面的法線方向[4～7]。錨桿通過主動加固圍巖的方式，在隧道初期支護中扮演著重要的“角色”。盡管不少學者對錨桿受力特性做了相關研究[8-10]，但針對薄層軟巖隧道采用非對稱設計方面研究較少。為此，本文以某薄層軟巖隧道為工程背景，基于薄層軟巖變形特征，采用非對稱式設計，選用遍布節理本構模型對錨桿參數進行優化。

1工程概況

隧道位于西南區域，全長9375m。隧道DK161+930～DK167+055段洞身范圍主要分布下古生界瀾滄群（Pz[1]ln）。隧道圍巖節理裂隙較發育，局部發育節理密集帶。其中瀾滄群以薄層極軟巖為主，巖體強度低，耐崩解性差，遇水易軟化，巖體破碎，圍巖自穩性差。隧道采用三臺階法施工，在施工過程中存在變形大且變形時間長，變形基本集中在左側，右側變形小于左側，如圖1所示。隧道初支斷面及支護參數如圖2所示。

2數值模擬分析

2.1建立三維模型

本文以（DK161+930～DK167+055）段中部隧道為對象建立三維模型，隧道最大埋深為250m，模型的尺寸為88m×110m×50m。模型側面和底面施加速度約束，對模型頂面施加大小為5.68MPa的垂深地應力。噴射混凝土、錨桿以及鋼拱架分別采用shell、cable和beam結構單元模擬，隧道超前支護的模擬通過增加加固區圍巖參數的方法來實現。隧道三維模型和開挖模型如圖3、4所示。

2.2計算參數

根據隧道地勘資料和鐵路隧道設計規范[10]，選取隧道三維模型計算參數如表1、表2所示。

2.3工況設置

以錨桿間距（1.0m×1.0m）、拱部錨桿長度（3m）為不變量，通過改變局部錨桿長度，來分析局部錨桿長度分別為3m、3.5m、4m、4.5、5m時的圍巖位移、圍巖塑性區、錨桿軸力情況。

2.4計算分析

從圖5可以看出錨桿長度的增加，對圍巖變形有一定的抑制作用。當錨桿長度增加到4m時，在增加錨桿長度并不會大幅度的減小邊墻水平收斂值;錨桿長度由3m增加到3.5m后，錨桿對拱底隆起及拱頂下沉有明顯的改善，但在增加錨桿長度對拱底隆起及拱頂下沉并沒有很明顯的限制效果，其變化值不到0.1cm;工況1～4隨著錨桿長度的增加，圍巖塑性區面積在逐漸減小，當錨桿長度增加到4.5m時，圍巖塑性區達到最小值;錨桿長度的增加錨桿軸力也隨之增大，工況4錨桿軸力達到最大值，說明對薄弱部位采用4.5m錨桿更能增強錨桿的支護效應。

對比分析五種工況的計算結果可知，后四種工況均優于第一種工況，且從圖5可以看出，第四種工況在邊墻水平收斂值、拱底隆起值、拱頂下沉值、錨桿軸力以及塑性區面積均優于其它工況，在結合現場施工難度的復雜性和工程成本等因素，薄弱部位錨桿設置的最優長度為4.5m。

3結論

通過建立薄層軟巖隧道三維模型，對錨桿設置部位，錨桿設置長度進行優化，得到如下結論：

（1）根據薄層軟巖隧道的變形特點，采用非對稱錨桿設計更能有效地阻止圍巖塑性區發展。

（2）將薄弱部位錨桿長度增加到4.5m，能有效地增加各個巖層之間的摩阻力，阻止圍巖塑性區發展。

本文針對薄層軟巖隧道建立了三維數值模型，重點研究了隧道在三臺階臨時仰拱法開挖方式下，薄層軟巖隧道錨桿參數設置以及錨桿布置形式，但未考慮時間因素對薄層軟巖變形的影響，在后續可以進一步深入研究。

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基金項目：云南省科技廳重點攻關項目（2018BC008）資助。