軟弱堆積體隧道注漿范圍與鎖腳錨桿研究

潘文韜

【摘 要】?隧道穿越軟弱堆積體會造成開裂掉塊等現象因而有必要對軟弱堆積體隧道展開研究。文章通過建立三維軟弱堆積體-隧道模型，針對軟弱堆積體隧道受力變形特征確定其合適經濟的注漿范圍，并對鎖腳錨桿在堆積體隧道中的作用展開研究，相關結論如下：圍巖變形與塑性區分布主要集中在軟弱堆積體中，拱底處隆起，左右拱肩處產生較大沉降并向上傳播至地表，開挖過程的拱頂沉降遠大于施工結束時;針對軟弱堆積體隧道的合理注漿范圍為6m，繼續擴大注漿范圍在犧牲經濟性的同時將造成拱頂沉降、拱底隆起以及圍巖壓應力的反彈;鎖腳錨桿能抑制軟弱堆積體隧道拱頂沉降及周邊收斂。

【關鍵詞】堆積體隧道; 數值模擬; 注漿范圍; 鎖腳錨桿

山嶺隧道的建設將成為西部山區間溝通的紐帶。目前我國西部正加速交通隧道的建設[1]，但在山嶺隧道洞口段，由于斷層、破碎帶等的作用，會產生土質松散的堆積體，而將隧道直接穿越軟弱堆積體會造成隧道變形大，漏頂，塌腔掉塊等現象。因而有必要對隧道在洞口段穿越軟弱堆積體展開研究，根據軟弱堆積體隧道受力變形特征針對性的確定注漿范圍以及增設鎖腳錨桿。

在軟弱堆積體隧道受力變形特征研究方面，嚴健[2]通過現場監測提出水平方向圍巖成分是影響堆積體隧道圍巖支護結構受力變形的主要因素;昝文博[3]通過有限元分析了堆積體隧道圍巖支護體系隨掌子面開挖的動態過程;謝亦朋[4]建立考慮抗拉強度與接觸面單元的細觀堆積體地層隧道來探究圍巖變形破壞失穩過程。

在注漿范圍與鎖腳錨桿研究方面，汪煜烽[5]利用有限元軟件模擬了不同注漿工況下的滲水機理，得出穿越斷層破碎帶的最優注漿參數與范圍;王聰[6]通過滲流場與應力場耦合模型對富水隧道帷幕注漿范圍進行比選;羅彥斌[7]通過現場實測發現鎖腳錨桿受力較大因而發揮較大作用，其錨固效果卻因長度與角度限制而不能充分發揮;宋秉元[8]通過數值模擬發現適當長度與傾角的鎖腳錨桿能抑制圍巖變位，充分發揮支護結構承載能力。

針對軟弱堆積體隧道變形受力特征及注漿范圍、鎖腳錨桿均有相應的研究，但注漿范圍以及鎖腳錨桿的研究均未針對軟弱堆積體隧道，未根據軟弱堆積體隧道提出合適的注漿范圍、探明鎖腳錨桿的作用。有鑒于此，本文根據數值模擬，建立三維軟弱堆積體模型，在其受力變形基礎上，研究針對軟弱堆積體的合理注漿范圍及鎖腳錨桿在軟弱堆積體中的作用，為隧道在軟弱堆積體的施工設計提供參考。

1 軟弱堆積體隧道模型

數值計算模型的幾何尺寸為84 m×75 m×50 m，在模型四周以及模型底部施加垂直約束。隧道處于軟弱堆積體中，軟弱堆積體與巖體的參數見表1，軟弱堆積體與巖體的分界線在隧道拱底3 m的位置。

初支采用錨噴聯合支護，混凝土強度等級為C20，厚度為0.20 m;錨桿在縱向錯排，長3 m，環向間距為1.1 m、縱向間距為1 m;二次襯砌采用強度等級C30的模筑鋼筋混凝土，厚度為0.6 m。數值模型中初期支護用shell單元，圍巖、加固區、二次襯砌均是實體單元，錨桿、管棚、小導管通過Cable單元來模擬。注漿加固通過提升相應區域內圍巖的力學參數進行模擬，圍巖支護結構符合mohr-coulomb屈服準則以及彈塑性體基本假設。

本次模型見圖1，數值模擬時施工工法采用CD法（圖2），掌子面開挖2 m后施作初支，回填在仰拱初支施作后9 m進行，二襯在回填后10 m施作，臨時支護的拆除長度為5 m。

超前預加固采用帷幕注漿+大管棚聯合加固方案[9-11]，初定帷幕注漿的范圍為隧道左、右上側各5 m，隧道下方3 m的矩形區域（圖3），采用環距為40 cm、外插角為5°、縱向長度26 m、搭接長度3 m的108 mm大管棚。

2 數值模擬結果

2.1 軟弱堆積體隧道受力變形特征

2.1.1 圍巖變形

圍巖水平、豎向變形見圖4、圖5。受施工工法影響，圍巖水平位移存在一定非對稱現象，最大水平位移出現在拱腰處。由于隧道處于軟弱堆積體中，軟弱堆積體下部為巖體，巖體產生變形較小，圍巖變形主要集中在軟弱堆積體中，拱底處隆起，左右拱肩處產生較大沉降，并向上傳播，在隧道上部及地表一定范圍內產生沉降變形。

2.1.2 二襯應力

二襯的應力狀態常作為判斷隧道穩定的依據。提取二襯的最大最小主應力見圖6、圖7。從結果中看出，壓應力主要集中于拱頂，而在拱腳以及拱腰位置會存拉應力，因而在施工過程中可能會造成邊墻的開裂變形，需加強防護。

2.1.3 塑性區分布

隧道施工結束后周邊圍巖的塑性區見圖8，從塑性區分布可看出，在隧道拱頂上方及拱底下側塑性區較廣泛，隧道兩側塑性區較少。隧道拱腰處及拱底少量部位存在過張量剪切破壞的塑性區。軟弱堆積體下側的巖體較為堅硬基本不存在塑性區，而軟弱堆積體處存在較為廣泛的塑性區。

2.2 帷幕注漿范圍研究

合適的帷幕注漿范圍可以在控制圍巖變形的同時達到較好的經濟性，因而有必要針對軟弱堆積體確定其合理注漿范圍。設置三組不同注漿范圍方案見表2，每組下側注漿范圍均為3 m。

提取不同注漿范圍方案的拱頂沉降（圖9）、拱底隆起（圖10）、右上拱腰收斂（圖11）、右下拱腰收斂（圖12）。

提取不同注漿范圍方案的圍巖變形應力、初支二襯應力、錨桿管棚受力變形匯總見表3。綜合圖9～圖12以及表3結果可得：

（1）拱頂沉降出現回彈，施工結束后的拱頂沉降數值遠小于開挖過程的拱頂沉降，在施工過程中需引起注意;上側拱腰收斂數值要大于下側拱腰并且拱腰處的水平收斂數值較拱頂拱底處豎向位移要大得多。

（2）帷幕注漿范圍擴大能較為顯著減小圍巖水平位移與拉應力、初支二襯應力、錨桿管棚受力變形與隧道周邊收斂，但注漿范圍擴大1 m到2 m的過程中提升效果減慢。

（3）注漿范圍加寬2 m相比1 m拱頂沉降與拱底隆起不減反增，圍巖壓應力也出現反彈，在增大注漿范圍犧牲經濟性的同時未能達到較大效果，因而帷幕注漿范圍不能無限增大，堆積體隧道模型最終采用下側注漿范圍為3 m，左、右上側注漿范圍為6 m，為堆積體隧道注漿范圍的選擇提供參考。

2.3 鎖腳錨桿效果研究

考慮到軟弱堆積體隧道周邊收斂較大，圍巖變形較難控制，對支護結構的錨桿體系進行優化，增設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿采用直徑為70 mm的鋼花管，長度為3 m，在CD法中臺階及回填土左右各設置兩根鎖腳錨桿，兩根錨桿的傾角分別為15°和30°。錨桿設置如圖13所示。

提取是否設置鎖腳錨桿時的拱頂沉降（圖14）、拱底隆起（圖15）、右上拱腰收斂（圖16）、右下拱腰收斂（圖17）。

提取是否增設鎖腳錨桿時的圍巖變形應力、初支二襯應力、錨桿管棚受力變形匯總見表4。

綜合圖14～圖17以及表4結果可得：增設鎖腳錨桿后，除圍巖壓應力外，對圍巖變形、圍巖拉應力、初支二襯應力以及錨桿管棚受力變形均有可觀的改善，其中對圍巖水平位移、初支拉應力、錨桿應力改善效果明顯。同時增設鎖腳錨桿是期望能有限控制圍巖支護結構變形，特別是收斂情況，而從曲線圖中可以看出，增設鎖腳錨桿對拱頂沉降、周邊收斂有可觀的改善，考慮到鎖腳錨桿成本相對不高，因而在軟弱堆積體中增設鎖腳錨桿具有較強的現實意義。

3 結論

本文通過建立三維軟弱堆積體-隧道模型，研究軟弱堆積體隧道受力變形特征，并針對堆積體隧道特征確定其合適的帷幕注漿范圍，在有效控制圍巖支護結構受力變形的同時達到經濟性最佳，最后對鎖腳錨桿在軟弱堆積體隧道中的作用進行了研究，相關結論如下：

（1）圍巖變形與塑性區分布主要集中在軟弱堆積體中，拱底處隆起，左右拱肩處產生較大沉降，并向上傳播至地表，塑性區主要集中于隧道上下位置。壓應力主要集中于拱頂，而在拱腳以及拱腰位置會存在拉應力。

（2）開挖過程的拱頂沉降要遠大于施工結束時，上側拱腰收斂要大于下側拱腰并且拱腰處的水平收斂較拱頂拱底處豎向位移要大得多。

（3）注漿范圍的擴大能有效控制軟弱堆積體隧道受力變形，針對軟弱堆積體隧道的合理注漿范圍為6 m，繼續擴大注漿范圍在犧牲經濟性的同時將造成拱頂沉降、拱底隆起以及圍巖壓應力的反彈。

（4）在各臺階處增設鎖腳錨桿可以有效控制軟弱堆積體的拱頂沉降與周邊收斂，并對圍巖水平位移、初支拉應力、錨桿應力也有較大程度改善。

參考文獻

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