分岔小凈距隧道中巖墻加固技術研究

摘要：為研究分岔小凈距隧道中巖墻加固技術，文章以重慶火鳳山城市公路隧道分岔小凈距段為依托，采用有限差分軟件FLAC 3D對比分析不同加固方式下中巖墻的力學行為和加固效果。結果表明：對拉錨桿+長錨桿的加固方式均能使隧道水平位移明顯減少，并能夠保證中巖墻不因應力過大而造成破壞；中巖墻經加固后承受了更多的內力，使得初期支護承擔的內力比減少，且隨著加固強度的增加效果更加明顯，對結構起到保護作用；對拉預應力錨桿+長錨桿加固方式對圍巖塑性區發展的控制效果好，整體上為彈性變形階段且分布連貫。

關鍵詞：道路工程；隧道；分岔小凈距；工程施工

中文分類號：U457+.3A551833

0引言

隨著西部山區公路交通建設的推進，分岔小凈距隧道因不受地形條件以及總體線路線形的限制，相較于連拱隧道施工具有工藝簡單、防水效果好、造價低等優點，獲得越來越廣泛的應用。而中巖墻作為分岔小凈距隧道的關鍵部位，一直以來存在施工過程中其圍巖穩定性難以得到保證、工程造價高、運營過程中隧道結構的耐久性和有效性不佳等問題。其中，其施工期地表下陷、洞口和掌子面塌方、拱頂懸垂與塌落、中巖柱及拱腰突出與滑移、底拱鼓脹與隆起等中巖墻失穩現象尤為突出。為此，許多學者針對中巖墻的穩定性和加固措施展開了研究。

嚴石生等［1］提出了非對稱小凈距隧道中巖墻穩定性判別式，采用錨桿和注漿聯合加固的方式能降低塑性區貫通的風險；趙秀紹等［2］的研究表明，當中巖墻厚度小于0.75B時，中巖墻塑性區范圍急劇擴大，在D/B=0.5時，對中巖墻進行注漿加固處理可極大地降低初支受力，并大大地提高了圍巖穩定性；姚勇等［3］認為初期支護的及時跟進，可有效抑制洞周和中夾巖墻塑性區的發展，并提出針對不同級別圍巖的中巖墻加固措施；孫景鳳等［4］研究認為在中巖墻采取注漿加固和對拉錨桿加固的措施條件下，中巖墻的水平位移和豎向位移均較小，在設計規范允許范圍內，現場采用的開挖支護方案是安全可行的。不難發現，目前針對“分岔小凈距隧道中巖墻不同加固措施對中巖墻的穩定性影響”仍缺乏系統研究。

本文依托重慶火鳳山隧道，通過數值計算模擬分岔小凈距段隧道的開挖和加固過程，對比分析不同中巖墻加固方式下的中巖墻的位移和應力分布規律以及支護結構受力特性，得出了適宜的中巖墻加固方法。

1工程概況

火鳳山隧道屬于重慶曾家巖北延伸穿越跨內環新增通道的重點控制工程，為雙洞單線城市公路隧道，左右線為三車道，建筑限界寬度為13.25 m。其左右主線隧道分別與兩處連接線相連，共同構成“Y”字形分岔小凈距隧道。如圖1所示。

2數值模型的建立

使用FLAC 3D軟件模擬隧道左線開挖加固過程。三維網格模型如圖2和下頁圖3所示，沿隧道縱向取80 m，模型寬175 m、高113 m左右，模型上部延伸至地表。隧道圍巖采用Mohr-Coulomb準則的實體單元，初期支護中的鋼筋網和鋼拱架彈性模量通過等效折算給噴射混凝土的shell結構單元，系統錨桿、長錨桿、普通對拉錨桿和對拉預應力錨桿均采用cable結構單元，如下頁圖4所示。不同中巖墻厚度處的錨桿長度不同。計算時應同時考慮噴錨支護和二次襯砌的作用。

本文主要研究分岔小凈距隧道中巖墻在不同錨桿加固措施下的效果，在隧道各段均設置系統錨桿的基礎上，分岔小凈距段另有加固錨桿，包括長錨桿、普通對拉錨桿和對拉預應力錨桿，均采用25 mm砂漿錨桿。計算時采用的工況和參數如表1和表2所示。

3計算結果分析

3.1中巖墻位移

如圖5所示為中巖墻位移特征點布置圖，如圖6所示為中巖墻水平位移分布曲線。由圖6可知，連接線洞周特征點5至特征點7，最大水平位移絕對值由2.2 mm減少到1.35 mm，主線洞周特征點15至特征點17，最大水平位移由2.8 mm減少到1.5 mm。因此，中巖墻加固后開挖能很好地控制中巖墻的水平位移，而采用普通對拉錨桿或對拉預應力錨桿對水平位移的影響效果幾乎相同。

3.2中巖墻應力

如圖7所示為中巖墻最小主應力云圖，從圖7可以看出，墻腰為相對受力較大的區域，由于分岔段連接線隧道與主線隧道的凈距很小，故加固前后墻腰均出現了較強的受壓狀態，外部應力值為-7.00～-5.00 MPa，中巖墻上部和下部受力相對較小，＜-1.00 MPa，且靠近連接線一側的中巖墻受力值更大。

工況一下墻腰位置，中巖墻內部受力相對外部較小，從圖中可以看出中巖墻內外受力差異明顯，內部應力呈現上下貫通的分布趨勢，應力值為-2.00 MPa，為外部應力值最大值的30%左右。在該工況下，中巖墻相對薄弱的墻腰位置應力分布不均勻，受力狀態較差。與工況一相比，工況二、三的中巖墻應力值較大，且墻腰內部應力增長幅度較大，墻腰至墻腳為應力主要影響區域。通過對比兩種加固方式可以看出，對拉預應力錨桿加固后的中巖墻拱腰應力分布更均勻，墻腰整體應力值范圍為-7.00～-4.00 MPa。

3.3錨桿軸力

如圖8和圖9所示為工況二和工況三的加固錨桿軸力云圖。由圖8可知，采用工況二加固時對拉錨桿的最大受力值為27.04 kN，由于中巖墻厚度沿縱向逐漸增大，對拉錨桿設置時也相應地不斷增長，中巖墻較薄位置對拉錨桿軸力值較小，為7.5 kN左右；在分岔小凈距區末端，對拉錨桿長度為6.5 m左右，軸力也增大到最大值，其中巖墻腰位置的錨桿受力相對較大。上部長錨桿軸力最大值為16.34 kN左右，主線隧道上方錨桿受力相對連接線較大，錨桿軸力值均為正值，表面錨桿處于受拉狀態，能夠起到懸吊加固作用，減小隧道的豎向位移。

由圖9可知，采用工況三加固時中巖墻位置對拉錨桿的軸力較大，隨著中巖墻厚度增加而不斷增大，最大軸力值達115 kN，說明隧道開挖后預應力對中巖墻的加固效應明顯；隧道頂部的長錨桿受力分布與工況二下的相似。

3.4圍巖塑性區

如圖10所示為小凈距隧道開挖后不同工況下的圍巖塑性區分布云圖，從圖10（a）可以看出，由于小凈距區離分岔交界面較近，中巖墻未加固時小凈距隧道開挖后圍巖曾出現大范圍的剪切破壞，隧道拱頂處出現過剪切破壞和拉伸破壞，主線隧道底部部分區域出現剪切破壞狀態。從小凈距隧道修建中的中巖墻塑性區不連通準則來看，不加固時隧道容易出現整體失穩，故需要對中巖墻采取合理的加固措施。

從圖10（b）和圖10（c）可以看出，中巖墻加固后，位于加固區內的中巖墻在隧道開挖過程中沒有出現塑性破壞，說明對拉錨桿加固能有效提高中巖墻抵抗塑性破壞的能力，能保證中巖墻承載能力得到充分發揮，提高小凈距隧道的穩定性。通過對比兩種加固方式的塑性區分布可以看出，對拉預應力錨桿加固后超小凈距區內隧道中巖墻塑性破壞區域較小，整體上為彈性變形階段且分布連貫，而普通對拉錨桿加固后中巖墻仍出現較大范圍的塑性變形，說明預應力對拉錨桿加固對于減少塑性變形的效果更好。

4結語

本文通過數值計算對火鳳山隧道左線分岔小凈距隧道中巖墻在不同加固方式下的力學行為、加固效果進行了研究，得出結論如下：

（1）中巖墻加固后，隧道水平位移明顯減少，其中預應力對拉錨桿加固對水平位移的控制效果更好。

（2）兩種加固方式均能夠保證中巖墻不因應力過大而造成破壞，保證了小凈距隧道開挖的安全穩定特性，其中預應力對拉錨桿能使墻腰和墻腳受力分布更加均勻合理。

（3）根據錨桿軸力，中巖墻承受了更多的內力，變形量更小，使得初期支護承擔的內力比減少，且隨著加固強度的增加效果更加明顯，對結構起到保護作用，提高了分岔小凈距隧道的施工安全性。

（4）對拉預應力錨桿對圍巖塑性區發展的控制效果好，整體上為彈性變形階段且分布連貫。

綜合以上結果分析可知，對拉預應力錨桿+長錨桿加固方式對提高中巖墻穩定性較好，能夠有效保障小凈距隧道開挖的安全性。

參考文獻：

［1］嚴石生，傅鶴林，宋中華，等.小凈距隧道中巖墻穩定性分析［J］.礦業研究與開發，2021，41（7）：113-117.

［2］趙秀紹，莊錦彬，徐長節，等.淺覆大跨度小凈距隧道中巖墻及初支力學特性研究［J］.公路交通科技，2015，32（12）：100-107.

［3］姚勇，何川，謝卓雄.雙線小凈距隧道中巖墻力學特征及加固措施研究［J］.巖土力學，2007（9）：1 883-1 888.

［4］孫景鳳，李文華，董亥興，等.超小凈距大跨度隧道巖柱穩定性分析［J］.中外公路，2014，34（2）：210-214.

作者簡介：蒲國偉（1982—），高級工程師，主要從事工程建設管理工作。