FRP錨桿在石膏巖隧道中的支護效果研究

劉偉民, 竇斌強, 陳 智

(1 湖北工業大學土木建筑與環境學院, 湖北 武漢 430068; 2 山西省交通規劃勘察設計院有限公司, 山西 太原 030012)

石膏或者硬石膏與碳酸鹽沉積共生的巖類一般稱作石膏質巖,在整個地質沉積歷史上分布廣泛。近年來,隨著中國公路、鐵路建設事業的發展,越來越多的隧道穿越石膏質巖地層,但其不良地質特性(膨脹性、腐蝕性)嚴重影響隧道的施工與運營[1]。石膏巖產生的膨脹力會導致隧道的支護結構被擠壓變形,最終失去平衡而破壞,出現底板隆起、襯砌開裂、滲漏水等嚴重病害[2]。因此,在遇水膨脹且腐蝕性嚴重的石膏巖中,傳統鋼錨桿與圍巖協同作用弱,嚴重影響錨固體系安全性,隧道運營期的銹蝕問題也將成為影響支護結構耐久性的重大隱患。FRP錨桿是一種以玻璃纖維及其制品作為增強材料,以合成樹脂作基體材料的一種復合材料,相比于傳統錨桿具有:輕質高強、耐腐蝕性能好、絕緣性好、導熱率低、可設計性好、錨固反應快、工藝性優良等優點,越來越多地應用于不同類型的地下工程中[3]。FRP材料相對于鋼筋的彈性模量低,將其應用在石膏巖隧道中,能有效解決傳統鋼錨桿與圍巖協同作用弱的缺陷,且較好耐腐蝕性能為隧道工程長期運營提供保障。

目前,國內外學者對石膏巖的工程特性以及FRP錨桿的應用分別開展了一定的研究。陳志明等[4]通過室內試驗及數值模擬,驗證了石膏質巖具有膨脹性及腐蝕性,并會影響隧道的結構穩定性。吳順川等[5]通過數值模擬,論證了襯砌結構中增加EPS緩沖層是富水膨脹性圍巖隧道的有效支護形式和潛在災害防治措施。許崇幫等[6]結合杜公嶺隧道工程建成運營后出現的隧道病害與檢測情況,研究得出杜公嶺隧道工程地質危害性是由地層巖性、地下水、巖溶、地質構造等多種地質因素共同作用的結果。李強等[7]通過室內試驗方法研究了硬石膏巖的膨脹力學特性,得出膨脹應力應變曲線為凹形函數,膨脹應變時間曲線為"S"型函數,膨脹應力時間曲線為指數型函數等規律。王洋等[8]歸納分析了FRP錨固體系的破壞模式,指出錨固體系的失效通常是由多種破壞模式耦合作用的結果,總結FRP錨桿與基體介質界面黏結性能的影響因素、界面黏結強度模型和界面黏結-滑移關系,并探討了界面剪應力分布規律。肖紅武等[9]基于典型軟弱圍巖條件下的鐵路隧道工程實例,結合多種工況條件,給出了FRP錨桿的優化設計參數和施工方案。王志杰等[10]對大斷面隧道掌子面采用FRP錨桿加固的參數進行了研究,建立了隧道掌子面失穩破壞模式,確定了錨桿加固長度的合理取值范圍為8～11 m,通過掌子面前方塑性區分布深度確定了錨桿的搭接長度為4 m。李明等[11]在Ⅳ、Ⅴ級圍巖下進行了GFRP錨桿與傳統錨桿的受力特性對比,研究表明GFRP錨桿在拉拔力的作用下其桿體受力遠小于其自身的極限抗拉強度。Mathieu Robert等[12]通過現場試驗證明將FRP筋加載至其極限抗拉強度的60%時,并未對FRP鋼筋的耐久性產生顯著的影響。Salvatore Russo等[13]通過高溫循環實驗的方式驗證了FRP材料在嚴酷的環境條件下仍具有內在的耐久性和可持續性。

雖然石膏巖的膨脹特性以及FRP錨桿的應用效果已開展了大量研究,但目前尚未見將FRP錨桿應用于石膏巖隧道中的研究。基于此,本文以某穿越石膏巖公路隧道為依托工程,通過數值仿真計算,對比FRP錨桿與鋼錨桿在膨脹性石膏圍巖隧道中的支護效果,以此探討在石膏層隧道下采用FRP錨桿代替傳統錨桿作為隧道支護結構的可行性,為石膏巖質隧道的支護提供思路和借鑒。

1 工程概況

某高速公路設計時速80 km/h,雙向四車道,全線設置隧道18座,隧道建筑界限寬度10.25 m,凈高5.0 m。其中某特長隧道(長3265 m),隧道雙洞間距24～26.7 m。本文取隧道左線ZK17+858～ZK18+338段,該段落圍巖以奧陶系下馬家溝組中風化含白云質石膏巖為主,局部中風化灰巖。巖體結構面不發育,結合好,呈整體狀結構,隧道最大埋深147.8 m,水文地質類型為巖溶裂隙水,含白云質石膏巖強度低,開挖易坍塌、變形。項目區地形復雜起伏大,溝谷形態多呈“V”字型,主溝方向以南北向、南西向、北西向為主,次級溝谷方向多呈南南西和北北東向,標高介于840.5～1118.3 m 之間,地貌單元屬溶蝕侵蝕中低山區。

石膏段隧道超前支護采用超前小導管注漿,初支采用I16工字鋼,噴22 cm厚混凝土,鋼筋掛網,錨桿采用Φ22水泥砂漿錨桿,長度3 m,間距100 cm。二襯采用40 cm厚鋼筋混凝土結構。

2 數值計算模型

采用有限元軟件FLAC 3D對隧道的開挖及支護進行模擬。圖1為數值計算模型圖,數值模型取100 m×90 m×30 m(長×高×寬),共101220個單元,109179個節點。

圖1 數值計算模型

設置邊界條件為對模型四周施加法向位移約束,并將模型底部位移固定。模型上部為強風化泥灰巖,中部為石膏巖,底部為石灰巖。圍巖參數依據本工程的地勘報告及對應巖體參數的常規取值確定,如表1所示。隧道斷面尺寸如圖2所示。

表1 圍巖參數

圖2 隧道斷面

對于水敏感性強的石膏質巖體,其通過吸水產生的膨脹壓力對隧道結構造成破壞,故將石膏巖視為彈塑性材料,數值計算采用摩爾-庫侖屈服準則;模擬石膏巖遇水膨脹的過程則是基于FLAC 3D中的熱學模塊,即設置體積膨脹系數,洞身周圍石膏巖的膨脹范圍如圖3所示。

圖3 圍巖膨脹范圍

FRP錨桿與傳統鋼錨桿均采用cable 單元,錨桿的相關力學性質參數見表2,錨桿沿隧道環向梅花形布置,桿長3 m,直徑22 mm,環向間距1 m,將每根錨桿劃分為12個節點。隧道采用臺階法開挖,每次進尺為5 m,共15步開挖。

表2 錨桿參數

3 計算結果分析

通過數值分析軟件模擬石膏巖的遇水膨脹過程,并分別取無錨桿支護、傳統鋼錨桿支護和FRP錨桿支護3 種工況進行對比分析。

3.1 圍巖變形特征

表3為三種支護條件方式下的圍巖變形情況。并分別對比有無膨脹作用下的三種支護方式對隧道圍巖變形的影響。總體來說,在錨桿的支護作用下,圍巖變形明顯減小。

表3 不同支護條件下的圍巖變形 mm

當未施加膨脹作用時,與無錨桿支護的工況相比,FRP錨桿與傳統錨桿均能有效地限制隧道的變形位移。FRP錨桿相較于無支護情況下的圍巖拱頂沉降、邊墻位移分別減少50%和54%。傳統鋼錨桿相較于無支護情況下的圍巖拱頂沉降、邊墻位移分別減少53%和62%。傳統鋼錨桿支護的隧道圍巖變形更小,控制圍巖變形的效果優于FRP錨桿。

當考慮膨脹作用時,圍巖體積膨脹,變形增大。無支護條件下拱頂沉降達到了87 mm,邊墻位移達到了48 mm,較未施加膨脹時分別增加了40%和50%。此時隧道圍巖變形較大,極易發生坍塌事故。在膨脹作用下施作錨桿支護后,FRP錨桿相較于無支護情況下拱頂沉降、邊墻位移分別減少49%和68%。傳統鋼錨桿相較于無支護情況下拱頂沉降、邊墻位移分別減少44%和64%。FRP錨桿拱頂沉降較傳統鋼錨桿減少8%,邊墻位移減少11%。可見,在具有膨脹力作用下的石膏圍巖中,FRP錨桿對限制隧道的變形位移更具有優勢。

3.2 錨桿軸力分布

圖4為無膨脹作用下的錨桿軸力分布圖,在邊墻處傳統鋼錨桿與FRP錨桿的最大軸力較拱頂處大,傳統錨桿在邊墻處的最大軸力為90 kN,在拱頂處的最大軸力為50 kN,均大于FRP錨桿的最大軸力。結合表3中無膨脹作用下鋼錨桿支護的圍巖變形更小,說明在無膨脹作用下,剛度更高鋼錨桿的對圍巖支護特性發揮優于FRP錨桿,且此時兩種錨桿均小于其自身的極限抗拉強度。

圖4 無膨脹作用下錨桿軸力分布

圖5為有膨脹作用下的錨桿軸力分布圖,在膨脹力的作用下,圍巖的變形增大。為控制圍巖的變形,傳統鋼錨桿與FRP錨桿自身軸力明顯增大。此時傳統鋼錨桿在拱頂處的最大軸力為220 kN,已經達到其最大抗拉強度,鋼錨桿中部分節點已經失效,無法達到最佳支護效果。FRP錨桿最大軸力為260 kN,未達到其抗拉強度,尚未失效,還能繼續發揮支護效果。結合表3中FRP錨桿支護下圍巖的變形更小,說明FRP錨桿在石膏圍巖發生膨脹效應或變形較大隧道中的受力特性優于傳統鋼錨桿,能更好地發揮其錨固作用。

圖5 膨脹作用下錨桿軸力分布

3.3 圍巖塑性區分布

圖6為施加膨脹力作用時,圍巖的塑性區分布情況。

圖6 圍巖塑性區分布

由于隧道圍巖較軟且具有膨脹效應,3 種工況下隧道圍巖均進入塑性區。無支護時,隧道圍巖塑性區范圍較廣,塑性區深度較大,圍巖破壞嚴重。施作錨桿后,兩種支護方式均有效地抑制了圍巖塑性區向四周的發展,塑性區范圍減小,圍巖在無錨桿支護、傳統鋼錨桿支護和FRP錨桿支護3 種情況下的塑性區面積分別是320 m2,165 m2,155 m2。施作FRP錨桿后,圍巖塑性區面積較傳統錨桿支護減小6%,較無錨桿支護減小51.5%,說明FRP錨桿較傳統鋼錨桿更好地限制圍巖塑性區的發展。

3.4 初期支護受力分析

表4為初期支護受力分布情況。三種支護工況下,垂直應力都在邊墻處集中,水平應力在拱頂處集中。

表4 初期支護受力 MPa

當無膨脹作用時,三種工況下的初期支護受力差距不明顯,在邊墻處FRP錨桿較無錨桿垂直應力減少0.9%,在拱頂處水平應力減少1.4%。結合表3和圖4分析,這是由于無膨脹作用下圍巖變形較小,兩種錨桿自身軸力遠未達到其最大抗拉強度,導致錨桿與圍巖共同作用效果不佳。

當施加膨脹作用時,隨著圍巖變形增大,初期支護受力明顯增加。無錨桿支護條件下邊墻處垂直應力增加14%,拱頂處水平應力增加51%。在兩種錨桿的支護作用下,邊墻處FRP錨桿和傳統鋼錨桿較無錨桿垂直應力減少16.6%和14.4%,在拱頂處水平應力減少20.3%和12.4%。說明在施加膨脹力作用下FRP錨桿能有效減少襯砌的應力集中,支護效果優于傳統錨桿。

隧道周圍受影響的巖土體在隧道開挖支護過程中及開挖后隨時間效應的穩定程度,叫做隧道圍巖的穩定性,也稱巖體安全度。計算巖體安全度常用的方法有極限位移判別法和巖體強度折減法[14]。由于石膏巖會遇水軟化,其力學強度會發生不同程度的降低,在施加膨脹作用后,利用強度折減法對隧道圍巖進行計算,用簡化模型的方式來模擬石膏巖不斷軟化的進程,最終得到石膏圍巖的巖體安全度。巖體安全度為 1 時處于臨界狀態,安全度越大,安全性越好。圖7為三種支護條件下的巖體安全度,在無支護、傳統鋼錨桿支護、FRP錨桿支護的圍巖安全度分別為0.9,1.2和1.4。錨桿與圍巖共同作用提高了支護的可靠性,說明在FRP錨桿支護條件下,錨桿與圍巖的共同作用效果優于傳統鋼錨桿,提高了支護結構的可靠性。

圖7 巖體安全度

4 結束語

通過數值分析軟件模擬了石膏圍巖的膨脹作用,并對無錨桿支護、傳統鋼錨桿支護和FRP錨桿支護在石膏巖中的支護效果進行了對比分析。得到以下結論:

1)在無膨脹力的石膏圍巖中,由于隧道圍巖周圍的應力較小,FRP錨桿彈性模量較傳統錨桿低,因此FRP錨桿的受力特性不如傳統錨桿,其控制圍巖變形效果相比傳統鋼錨桿沒有優勢,但差距不大。

2)在有膨脹力的石膏圍巖中,FRP錨桿的支護效果更佳,體現為拱頂沉降較傳統鋼錨桿減少8%,邊墻位減少11%,圍巖塑性區面積較傳統錨桿支護減小6%,FRP錨桿支護下的圍巖安全度大于傳統鋼錨桿,與圍巖的共同作用優于傳統錨桿。

3)石膏層圍巖不僅有膨脹性,還有腐蝕性,由于FRP錨桿具有耐腐蝕的特點,結合本文研究,FRP錨桿可以代替傳統鋼錨桿作為新型支護材料應用于石膏層隧洞支護中。