五指山隧道漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿參數(shù)分析

摘要：為了確定五指山隧道預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿的加固參數(shù)，采用數(shù)值模擬手段研究了不同錨桿預(yù)緊力、不同錨桿長(zhǎng)度、不同錨桿間距參數(shù)對(duì)加固效果的影響。分析表明：隨著錨桿預(yù)緊力增加，壓力拱厚度首先增大隨后基本不變，錨桿預(yù)緊力宜控制在20 kN以上；隨著錨桿長(zhǎng)度增加，壓力拱厚度首先增大隨后基本不變，錨桿長(zhǎng)度宜控制在4 m以上；隨著錨桿間距增加，壓力拱厚度減小，當(dāng)錨桿間距過(guò)大時(shí)，不能形成壓力拱，因此錨桿間距宜控制在1.5 m以內(nèi)。最終確定五指山隧道IV級(jí)圍巖段預(yù)應(yīng)力錨桿加固參數(shù)：預(yù)緊力不小于20 kN、長(zhǎng)度不小于4 m、間距不大于1.5 m。

關(guān)鍵詞：公路隧道； 預(yù)應(yīng)力錨桿； 預(yù)緊力； 錨桿長(zhǎng)度； 錨桿間距； 壓力拱厚度

中國(guó)分類號(hào)：U455.7+1A

［定稿日期］2022-05-05

［基金項(xiàng)目］海南省交通科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：J-ZX-ZAK-02-2019）

［作者簡(jiǎn)介］資西陽(yáng)（1983—），男，碩士，高級(jí)工程師，從事道路橋梁工程建設(shè)管理工作。

0 引言

隨著錨桿技術(shù)的不斷發(fā)展，作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)或注漿永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的漲殼式錨桿支護(hù)技術(shù)，在邊坡、水利、采礦、隧道及地下空間工程中得到了成功的應(yīng)用［1-3］。其作用機(jī)理是：首先漲開(kāi)漲殼并使其卡在圍巖孔壁之上，其次對(duì)錨桿施加預(yù)應(yīng)力，該方法可以對(duì)圍巖形成壓力從而提高了圍巖抗破壞能力。同時(shí)從中空的錨桿結(jié)構(gòu)中注入高壓水泥，使其滲入周圍巖體中進(jìn)一步加固圍巖。

目前，行業(yè)專家對(duì)預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿加固機(jī)理、施工工藝開(kāi)展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)［4］通過(guò)對(duì)鄭萬(wàn)高鐵高家坪隧道軟弱圍巖段漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿進(jìn)行研究，明確了其加固作用機(jī)理，并提出了錨桿注漿比例；文獻(xiàn)［5］依托蒼嶺特長(zhǎng)公路隧道，揭示了預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿控制巖爆的作用機(jī)理，并基于此提出了錨桿設(shè)計(jì)防巖爆原則；文獻(xiàn)［6］提出了漲殼式高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿的快速支護(hù)施工方法，同時(shí)表明預(yù)應(yīng)力錨桿在高地應(yīng)力條件下，可保證特大斷面隧洞開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定；文獻(xiàn)［7］闡述了預(yù)應(yīng)力錨桿荷載傳遞機(jī)制，為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

本文依托五指山隧道工程，采用數(shù)值模擬手段分別研究了錨桿預(yù)緊力、錨桿長(zhǎng)度及錨桿間距對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿加固效果的影響，最終得出適用于五指山隧道IV級(jí)圍巖段的錨桿加固參數(shù)。

1 預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿在五指山隧道中的運(yùn)用

五指山隧道位于五指山市沖山鎮(zhèn)，屬特長(zhǎng)深埋小凈距公路隧道。左線起訖樁號(hào)ZK36+010～ZK40+855，長(zhǎng)4 845 m，隧道最大埋深約383 m；右線隧道起訖樁號(hào)YK36+000～YK40+870，長(zhǎng)4 870 m，隧道最大埋深約370 m。

五指山隧道IV級(jí)圍巖段擬采用新型漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行加固，通過(guò)旋緊桿體使錨桿前端漲殼頭張開(kāi)，給錨桿施加一定的預(yù)應(yīng)力，促使圍巖及早形成壓力拱，以達(dá)到主動(dòng)加固圍巖，提升圍巖自穩(wěn)性的效果。

漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿由全螺紋中空錨桿體、半球形鋼制墊圈、螺母、拱形墊板、鋼制脹殼錨固件組成。鋼制漲殼錨固件外徑4.4 cm，全螺紋中空桿體直徑25 mm，單根長(zhǎng)度4.05 m，重量11.95 kg，如圖1所示。

2 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)

為了獲取合理的支護(hù)參數(shù)，針對(duì)五指山IV級(jí)圍巖段，分析不同預(yù)緊力、不同錨桿長(zhǎng)度、不同錨桿間距下預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)圍巖的加固效果。整個(gè)模型計(jì)算范圍為100 m×100 m×1 m（X×Z×Y），采用位移邊界條件，左右和前后側(cè)面分別約束X向、Y向位移，底部邊界僅約束Z向位移（圖2）。錨桿選用25 mm的鋼筋，采用錨索結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，圍巖及錨桿計(jì)算參數(shù)如表1、表2所示。

對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨桿，需要考慮托盤、自由段和錨固段、預(yù)緊力的施加等問(wèn)題。因此在模擬時(shí)需要進(jìn)行一定的處理，本研究將錨桿的端頭、自由段、錨固段賦不同的屬性來(lái)模擬非全長(zhǎng)錨固預(yù)應(yīng)力錨桿，端頭的錨固參數(shù)設(shè)為極大值來(lái)模擬托盤，由此，當(dāng)錨桿受力時(shí)，端頭將不會(huì)滑動(dòng)，相當(dāng)于托盤的作用。另外，預(yù)緊力施加在錨桿的自由段。具體的計(jì)算工況如表3所示。

3 預(yù)應(yīng)力錨桿加固效果分析

當(dāng)系統(tǒng)錨桿支護(hù)參數(shù)合理時(shí)，能在隧道周邊一定范圍內(nèi)形成壓力拱，從而充分發(fā)揮系統(tǒng)錨桿的加固作用［4］。因此，本文采用壓力拱的范圍定量的分析預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)錨桿的加固效果。根據(jù)文獻(xiàn)［8］，以隧道圍巖徑向應(yīng)力恢復(fù)到原巖應(yīng)力的90%處為外邊界，并將數(shù)值模擬得到的應(yīng)力場(chǎng)與壓力拱邊界定義結(jié)合起來(lái)，則可得到壓力拱外邊界。以工況2為例，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 工況2壓力拱范圍示意

3.1 預(yù)緊力對(duì)錨桿加固效果的影響分析

不同預(yù)緊力（工況1～工況4：10、20、30、50 kN）條件下，圍巖壓力拱厚度變化趨勢(shì)如圖4所示。隨著錨桿預(yù)緊力由0 kN增加到20 kN，壓力拱厚度急劇增大，由0 m增大為2.5 m。隨后，壓力拱厚度的變化趨勢(shì)隨著預(yù)緊力的增加而逐漸減緩，當(dāng)預(yù)緊力由20 kN增加為30 kN、由30 kN增加為50 kN，壓力拱厚度分別增大0.5、0.2 m。表明系統(tǒng)錨桿的加固效果在預(yù)緊力為20 kN處附近出現(xiàn)了拐點(diǎn)，導(dǎo)致繼續(xù)增大預(yù)緊力所提高的加固效果不明顯。因此，錨桿預(yù)緊力宜控制在20 kN以上，且不需要提高過(guò)多，即可以充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)錨桿的加固作用、保證加固效果。

3.2 錨桿長(zhǎng)度對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿加固效果分析

不同錨桿長(zhǎng)度（工況3、工況5、工況6、工況7：3.5、4.0、4.5、5.0 m）條件下，圍巖壓力拱厚度變化趨勢(shì)如圖5所示。隨著錨桿長(zhǎng)度由0 m增加到4 m，壓力拱厚度顯著增大，由0 m增大為3.3 m。隨后，壓力拱厚度的增大趨勢(shì)隨著錨桿長(zhǎng)度的增加而逐漸減緩，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度由4 m增加為4.5 m，壓力拱厚度由3.3 m增大為3.4 m，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度由4.5 m增加為5 m，壓力拱厚度由3.4 m增大為3.45 m。表明當(dāng)系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度大于4 m后，加固效果的增加并不明顯。表明系統(tǒng)錨桿的加固效果在4 m附近出現(xiàn)了拐點(diǎn)。因此，錨桿長(zhǎng)度宜控制在4 m以上，且不需要太長(zhǎng)，即可以充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)錨桿的加固作用、保證加固效果。

3.3 錨桿間距對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿加固效果分析

不同錨桿間距（工況3、工況8、工況9、工況10：1.2、1.5、1.8、2.0 m）條件下，圍巖壓力拱厚度變化趨勢(shì)如圖6所示。隨著錨桿間距的增大，壓力拱厚度逐漸減小。其中，當(dāng)錨桿間距由1.2 m增加到1.5 m時(shí)，壓力拱厚度由3.0 m減小為1.1 m，當(dāng)錨桿間距由1.5 m增大到1.8 m時(shí)，壓力拱厚度由1.1 m減小為0.2 m，當(dāng)錨桿間距由1.8 m增大到2 m時(shí)，壓力拱厚度由0.2 m減小為0 m。表明當(dāng)錨桿間距過(guò)大時(shí)，圍巖中無(wú)法形成壓力拱，導(dǎo)致錨桿的加固效果難以充分發(fā)揮。因此，錨桿間距宜控制在1.5 m以內(nèi)。

4 結(jié)論與建議

本文依托五指山隧道工程背景，采用FLAC3D有限差分軟件分析了漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿參數(shù)（不同預(yù)緊力、不同錨桿長(zhǎng)度、不同錨桿間距）對(duì)加固效果的影響，得到結(jié)論：

（1）隨著錨桿預(yù)緊力增加，壓力拱厚度首先增大隨后基本不變，因此錨桿預(yù)緊力宜控制在20 kN以上。

（2）隨著錨桿長(zhǎng)度增加，壓力拱厚度首先增大隨后基本不變，因此錨桿長(zhǎng)度宜控制在4 m以上。

（3）隨著錨桿間距增加，壓力拱厚度減小，當(dāng)錨桿間距過(guò)大時(shí)，則不能形成壓力拱，因此錨桿間距宜控制在1.5 m以內(nèi)。

綜上所述，合理設(shè)計(jì)錨桿的預(yù)緊力、長(zhǎng)度及間距才能實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨桿的最佳加固效果。預(yù)應(yīng)力錨桿設(shè)計(jì)建議參數(shù)：預(yù)緊力不小于20 kN、長(zhǎng)度不小于4 m、間距不大于1.5 m。

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