隧道軟弱圍巖掌子面超前錨桿支護參數分析

摘要：文章結合某公路隧道工程，采用數值模擬的方法分析了隧道掌子面超前玻璃纖維錨桿的支護密度、加固長度和搭接長度對隧道圍巖變形的影響，計算結果表明：隨著支護密度的增加，掌子面拱頂前方和中心前方的預收斂變形逐漸減小，掌子面的擠出位移逐漸減小，且減小幅度逐漸降低；隨著加固長度的增加，掌子面拱頂前方和中心前方的預收斂變形及掌子面的擠出位移變化不明顯，但玻璃纖維錨桿的軸向應力先增大后趨于平穩；隨著搭接長度的增大，掌子面拱頂前方和中心前方的預收斂變形逐漸減小，掌子面的擠出位移逐漸減小，且減小幅度逐漸降低。

關鍵詞：軟弱圍巖；玻璃纖維錨桿；新意法；掌子面核心土；數值模擬

中圖分類號：U455.7+1" " " 文獻標識碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.052

文章編號：1673-4874（2024）11-0176-04

0引言

近幾年，我國西部大開發戰略已經進入加速發展階段，西部交通工程的建設也迎來大的挑戰，尤其是隧道工程的建設，常面臨著需穿越不良地質（軟弱圍巖、巖溶、斷層破碎帶等）的難題。軟弱圍巖是淺埋隧道全斷面開挖過程中經常遇到的不良地質之一，軟弱圍巖掌子面穩定性較差，支護措施不當便會造成掌子面及拱頂塌方，導致人員傷亡和經濟損失［1］。

目前，大量學者對軟弱圍巖掌子面的穩定性進行了研究。孟永香［2］結合某隧道工程施工，采用Midas GTS軟件模擬分析了地表注漿加固、管棚超前支護及兩者聯合支護的掌子面變形規律，認為聯合支護可以有效控制掌子面變形；張書國等［3］采用FLAC 3D軟件模擬分析了某深埋大斷面隧道在三種開挖方法下圍巖的變形特征，得到三臺階七步開挖工法對隧道圍巖變形影響最小；張帥等［4］綜合數值模擬和現場檢測的手段，對東天山特長公路隧道穿越F2斷層時的支護結構進行分析驗證，得到了較合理的圍巖支護結構參數及施工順序；葉亦文［5］采用Midas GTS軟件模擬分析了淺埋軟弱圍巖隧道在三種不同的開挖方法下圍巖的變形特征，認為雙側壁法可以有效控制圍巖變形；孫軍平等［6］依托某輸水隧洞工程，采用數值模擬對比分析了全斷面和二臺階法對隧洞圍巖穩定性影響，得到全斷面開挖更有利于控制圍巖變形；肖楊等［7］采用FLAC 3D軟件模擬分析了某連拱隧道在相同超前小導管和不同初期支護厚度下圍巖的變形特征及初支結構的內力變化；秦苛等［8］采用數值模擬的方法分析了仰拱、二襯和掌子面三者之間不同的施工步距對隧道圍巖的變形影響，認為三者之間的安全施工步距可以按規范要求的圍巖變形極限值進行適當調整；楊永斌等［9］結合翁多隧道具體施工，分析現場對“三臺階+微樁鎖腳”的監測結果，探析了隧道初支結構和圍巖的應力變化及變形特征；望紫云［10］采用數值模擬的方法，提出了隧道在泥巖環境中支護結構的參數優化方案。

綜上所述，大多數學者比較傾向于新奧法對軟弱圍巖進行加固，或采用新奧法的開挖方法來穩定軟弱圍巖掌子面，而對新意法的理念研究及應用較少。本文基于新意法的理念，依托廣西某淺埋軟弱圍巖隧道工程，采用數值模擬的方法，分析了軟弱圍巖隧道全斷面開挖時掌子面超前玻璃纖維錨桿支護參數（支護密度B、加固長度l和搭接長度la）對掌子面圍巖變形影響。

1模型建立及參數設置

本文依托廣西某淺埋軟弱圍巖隧道工程，隧道全長6 984 m，隧道地處侵蝕剝蝕低山丘陵區地形波狀起伏底面高程為114～260 m，相對高差為144 m，最大埋深154 m；自然坡度為20°～50°，局部陡峻，隧道設計為雙線單洞。隧道地表覆蓋第四系全新統坡洪積軟質黏土、粉質黏土、坡殘積粉質黏土；下伏基巖為白堊系大坡組砂巖、泥質砂巖夾含礫砂巖和白堊系下統新隆組泥質砂巖。研究段隧道埋深約74 m，隧道穿越地層主要為砂巖，圍巖的物理力學參數見表1。

采用FLAC 3D軟件進行建模，模型尺寸x方向為80 m，y方向為50 m，z方向為80 m，隧道開挖高度為9.8 m，隧道跨度8.9 m，具體模型如圖1所示，圍巖采用摩爾-庫侖本構模型，隧道開挖采用1模型；超前玻璃纖維錨桿直徑為22 mm，初期支護采用彈性本構模型，初期支護厚度為20 cm。支護結構參數見表2。

2工況設置

為減弱模型產生的邊界效應，隧道在開挖并初支至y=10 m處，開始施作掌子面玻璃纖維錨桿，y=10 m處為各監測點布置起點。

（1）為分析掌子面玻璃纖維錨桿密度B（掌子面每平方米玻璃纖維錨桿數量）對隧道掌子面前方圍巖穩定性影響，設置分析工況如表3所示。

（2）為分析掌子面玻璃纖維錨桿加固長度對隧道掌子面前方圍巖穩定性影響，設置分析工況如表4所示。

（3）為分析掌子面玻璃纖維錨桿搭接長度對隧道掌子面前方圍巖穩定性影響，設置分析工況如表5所示。

3計算結果分析

3.1掌子面玻璃纖維錨桿密度分析

通過對不同玻璃纖維錨桿加固密度進行模擬計算，分別得到掌子面拱頂處前方z向位移、掌子面中心處前方y向位移以及掌子面的擠出位移，如圖2～4所示。

由圖2～4可知：（1）隨著B增大，掌子面拱頂處前方各監測點的z向位移逐漸減小，各工況最大z向位移均發生在11 m監測點處，依次為12.9 mm、10.4 mm、9.0 mm、8.2 mm和7.6 mm，相對于B=0.4，其余各工況最大z向位移依次減小19.4%、30.2%、36.4%和41.1%；距離掌子面越遠的監測點，其位移越小，并逐漸趨于0 mm；（2）隨著B增大，掌子面中心處前方各監測點y向位移逐漸減小，各工況最大y向位移均發生在掌子面處，依次為40.5 mm、31.6 mm、27.8 mm、24.3 mm和22.0 mm，相對于B=0.4，其余各工況最大y向位移依次減小22.0%、31.4%、40.0%和45.7%；距離掌子面越遠的監測點，其位移越小，并逐漸趨于0 mm；（3）隨著B增大，掌子面各監測點的擠出位移逐漸減小，各工況最大擠出位移依次為46.2 mm、32.2 mm、28.3 mm、24.9 mm和22.6 mm，相對于B=0.4，其余各工況最大擠出位移依次減小30.3%、38.7%、46.1%和51.1%，較大的擠出位移發生在掌子面中部，距離開挖輪廓線越近，擠出位移越小。

綜上所述，考慮隧道施工的安全性和經濟性，當掌子面玻璃纖維錨桿密度B=0.8時較為合理。

3.2掌子面玻璃纖維錨桿加固長度分析

通過對玻璃纖維錨桿不同加固長度進行模擬計算，分別得到掌子面拱頂處前方z向位移、掌子面中心處前方y向位移、掌子面的擠出位移和玻璃纖維錨桿的軸向應力，如下頁圖5～8所示。

由圖5～8可知：（1）隨著l增大，掌子面拱頂處前方各監測點的z向位移、掌子面中心處前方各監測點的y向位移和掌子面的擠出位移基本沒有變化；意味著當l≥7 m時，繼續加長玻璃纖維錨桿長度，錨桿對隧道掌子面前方圍巖變形的約束效果不會增加；（2）隨著l增大，玻璃纖維錨桿的軸向應力先增大，當l≥12 m后趨于穩定。

綜上所述，為了盡可能發揮玻璃纖維錨桿的抗拉特性，又兼顧施工效率和周期，確定合理的加固長度為15 m。

3.3掌子面玻璃纖維錨桿搭接長度分析

通過對玻璃纖維錨桿不同搭接長度進行模擬計算，分別得到掌子面拱頂處前方z向位移、掌子面中心處前方y向位移和掌子面的擠出位移，如圖9～11所示。

由圖9～11可知：（1）隨著搭接長度la增大，掌子面拱頂處前方各監測點的z向位移逐漸減小，各工況最大z向位移均發生在監測點11 m處，依次為16.6 mm、12.5 mm、10.5 mm、9.7 mm和9.2 mm，相對于la=2 m，其余各工況最大z向位移依次減小24.7%、36.7%、41.6%和44.6%；距離掌子面越遠的監測點，其位移越小，并逐漸趨于0 mm；（2）隨著la增大，掌子面中心處前方各監測點y向位移逐漸減小，各工況最大y向位移均發生在掌子面處，依次為65.3 mm、48.4 mm、37.7 mm、32.0 mm和29.3 mm，相對于la=2 m，其余各工況最大y向位移依次減小25.9%、42.3%、51.0%和55.1%；距離掌子面越遠的監測點，其位移越小，并逐漸趨于0 mm；（3）隨著la增大，掌子面各監測點的擠出位移逐漸減小，各工況最大擠出位移依次為65.3 mm、48.6 mm、37.9 mm、32.3 mm和29.7 mm，相對于la=2 m，其余各工況最大擠出位移的依次減小25.6%、42.0%、50.5%和54.5%。

另外掌子面加固存在一個最小的加固范圍，可以用式（1）表示［11］：

la=H×tan（45°-φ/2）（1）

根據經驗公式得到掌子面最小加固范圍為5.89 m。

綜上所述，考慮隧道施工的安全性和經濟性，取掌子面玻璃纖維錨桿搭接長度la=6.0 m較為合理。

4結語

本文基于新意法的理念，依托廣西某淺埋軟弱圍巖隧道工程，采用數值模擬的方法，對掌子面超前玻璃纖維錨桿支護參數進行了分析，得到以下結論：

（1）隨著B或la的增加，掌子面拱頂前方和中心前方的預收斂變形逐漸減小，掌子面的擠出位移逐漸減小，且減小幅度逐漸降低。

（2）隨著l的增加，掌子面拱頂前方和中心前方的預收斂變形及掌子面的擠出位移變化不明顯，但玻璃纖維錨桿的軸向應力先增大后趨于平穩。

（3）得到了該工程較為合理的超前玻璃纖維錨桿支護參數。

參考文獻：

［1］謝雄耀，蔡杰龍，周應新，等.淺埋軟弱圍巖隧道施工塌方及處治措施研究［J］.建筑施工，2022，44（3）：545-549.

［2］孟永香.軟弱圍巖隧道超前支護加固形式研究［J］.市政技術，2023，41（12）：111-116.

［3］張書國，賀永勝，戴嶺，等.深部軟弱圍巖隧道開挖方法數值比選研究［J］.價值工程，2023，42（33）：146-149.

［4］張帥，劉世林，薛江龍，等.隧道穿越擠壓性軟巖支護參數優化研究［J］.施工技術（中英文），2023，52（21）：48-54.

［5］葉亦文.軟弱圍巖淺埋隧道施工方法研究［J］.工程技術研究，2023，8（21）：38-40.

［6］孫軍平，賀海龍，謝秉鑫.淺埋軟弱圍巖輸水隧洞施工工法比較分析［J］.水利與建筑工程學報，2023，21（5）：131-137.

［7］肖楊，蒲松.軟弱圍巖連拱隧道力學特性及支護參數研究［J］.山西建筑，2023，49（20）：153-156.

［8］秦苛，張翰洋，蔡曉斌，等.軟巖大斷面隧道安全施工步距數值模擬分析［J］.科學技術創新，2023（24）：161-164.

［9］楊永斌，王慶，王星，等.淺埋軟弱圍巖隧道微樁鎖腳施工技術研究［J］.路基工程，2023（4）：137-142.

［10］望紫云.富水泥巖段隧道支護參數優選分析［J］.工程與建設，2023，37（1）：285-289.

［11］李斌，漆泰岳，吳占瑞，等.隧道掌子面錨桿加固參數確定方法［J］.鐵道學報，2012，34（10）：115-121.

作者簡介：莫文校（1986—），工程師，主要研究方向：隧道施工建設與管理。

收稿日期：2024-05-16