水工隧洞穿越断裂层应用中通压注锚杆的模拟分析探究

刘志明

(余干县康山大堤管理局，江西 余干 335100)

0 引 言

穿越山岭的水工隧洞工程经常面临穿越复杂断裂层的工程难题，应用压注锚杆实施复合注浆锚固成为工程技术选择。本文参考工程案例实用数据，借助离散元FLAC3D模拟计算分析的方式，对水工隧洞穿越断裂层应用中通压注锚杆课题开展专题分析探究，以期为同类工程应用中通压注锚杆提供研究及技术参考，助力建设安全可靠的穿越断裂层水工隧洞工程。

1 案例工程概况

案例工程系北桥水工隧洞，埋深为7.333～82.773 m，洞身为混合式砌衬。隧洞地面宽度10.75 m，高度5 m。右线桩标K51+058～K51+155段落为本研究关注的应用中通压注浆特种锚杆作径向锚杆区段，区间总长度97 m，其地质剖面结构状态见图1。

图1 案例地质剖面结构示意图

案例砌衬均采取新奥法设计，为应用柔性支撑防护结构的混合式砌衬体系，即以拱架、锚、喷、网等构成初期支撑防护，以模注混凝土或者钢筋混凝土为再次砌衬，并视地质和地层基础条件，加设小导管超前注浆防护措施配合施工。初期支撑防护锚件全部选用中通压注浆特种锚杆，具体见图2。

图2 中通压注浆特种锚杆

锚杆壁厚度5 mm，直径为25 mm，长度3 m。其环向布设间距为100 cm，其纵向按梅花型布设，纵间距取75 cm。仰拱喷层及拱部侧墙厚度均为26 cm，双层Φ8钢筋网规格20 cm×20 cm，模铸C30钢混二次砌衬厚50 cm。锚固支撑防护选用混凝土砂浆级别强度≥M30。M30混凝土砂浆加添早强剂，中通压注浆特种锚杆为厚度5 mm的D25成品锚杆，其单体抗拉能力≥180 kN。对V级围岩体加设辅助支护强固措施，隧洞主体进口段设置长30 m的超前管棚支撑防护，管棚选用壁厚6 mm、直径108 mm的无缝钢管搭建。隧洞主体施加小导管超前预强固措施，注导管选用壁厚3.5 mm、直径4.2 mm的无缝钢管。

2 建立数理模型

借助离散元FLAC3D围岩体应力应变模拟计算分析系统开展数理建模。地层建模参数具体见表1，二次砌衬和混凝土喷射建模参数见表2，人工填方建模参数见表3，中通锚压注浆支护技术参数见表4，注导管和管棚建模参数见表5。取锚杆扇形围包区域作为中通锚压注浆支护效力范围，其半径取0.5 m。设置注浆后技术参数增强程度如下：摩擦角增强1倍，黏聚力增强1倍，泊松比降低幅度取为5%，弹塑性模量设置增强0.5～1倍。

表1 地层建模参数

表3 人工填方建模参数

表4 中通锚压注浆支护建模参数

表5 注导管和管棚建模参数

借助莫尔库伦模型模拟围岩体，选用弹塑性模型模拟砌衬本构。总体网络模型见图3，模型长度700 m，宽度100 m，高程在34.8～135.7 m之间。共计单元425 015个，节点74 115个。

图3 总体网络模型

选用cable构造单元模拟中通压注浆特种锚杆。为了充分区别于普通锚杆，只考虑中通杆体受拉，设定中通混凝土注浆不参与受拉；取钢材抗拉强度作为抗拉强度，弹塑性按锚杆断面积等效。另外，cable跟围岩体触接关系设定为X、Y、Z各向刚性接连。

3 隧洞穿越断裂层应用中通压注锚杆的模拟分析

当掘进至Y=212洞段时，洞身跨越围岩断裂带，其中围岩断裂部位在Y值的185.709～203.075之间，具体见图4。

图4 隧洞超越断裂层示意图

3.1 拱顶降沉特征

选择Y=200，198，188，178，168，158，148，138，128为分析对象，此中剖面198为跨越围岩断裂层剖面，分析各剖面的拱顶降沉演变特征，具体见图5。

图5 隧洞轴向纵剖面降沉云状态

由图5能够看到，在穿越围岩断裂层时，出现最大板底隆起和最大拱顶降沉，最大板底隆起值为1.35 cm；最大拱顶降沉值为2.14 cm。越远离围岩断裂层，板底隆起值及拱顶降沉值相对越小，相较于板底降沉速率，拱顶降沉速率相对要快；围岩断裂层的中性点跟板底隆起及拱顶降沉的最大移位点基本重合，板底隆起及拱顶降沉的最大移位与围岩断裂层的倾斜方向基本呼应；拱顶降沉较板底隆起的区域相对较宽，响应区域相对较大。穿越围岩断裂部位的拱顶降沉分布状态具体见图6。

图6 穿越围岩断裂部位的拱顶降沉分布

图6可知，随着掘进发展和埋深加大，拱顶降沉几乎呈直线加增态势；在10 mm以下的洞口附近，降沉最大值出现部位Y=196。围岩断裂的中心部位在19.11 mm位置处；断裂部位周边，均发生大于15 mm拱顶降沉；拱顶降沉在穿越围岩断裂层后开始降低。借助降沉值的大小能够发现，穿越围岩断裂部位，拱顶降沉获得较好控制，主要得益于：①中通压注浆特种锚杆的杆体在围岩体出现形变后可以提供相对更大的支撑防护抗力；②超前区域注浆防护，使拱部围岩体自承能力得到较大强化；③中通压注浆特种锚杆使得注浆强固区域更大，把破碎带松散体在更大范围内形成胶结体，使围岩体的整体强韧度大幅提升。

3.2 中通压注锚体轴力分布

中通压注浆特种锚杆的轴力分布状态图见图7。通过图7整体轴力状态能够看到，中通压注锚杆轴力最大值发生部位主要集中在围岩断裂部位区域上拱部锚件和上拱部拱脚部锚件，其最大锚杆轴力值为260.68 kN；围岩断裂部位之外的其他上拱部锚件，其轴力多处于200 kN以下。

图7 中通压注锚杆整体轴力云状态图

3.2.1 基于不同断面的上拱部锚件轴力状态

所选剖面为Y=200，196，176，152，128，分析各剖面的上拱部锚件轴力，具体见表6和图8。

表6 上拱部锚件轴力分布状态 /kN

图8 上拱部锚件轴力分布状态图

由图8能够看到，在Y=200剖面处的上拱部锚件发生最大轴力，其最大轴力值为260.682 kN，该部位距锚体自由端2.1 m；围岩断裂层上拱部锚件的轴力分布状态起初近似直线升高，之后迅速降低；越远离断裂层，其上拱部锚件轴力的分布状态特征越不明显，直至几近水平直线，这些锚杆的拉拔力消耗较少。

3.2.2 基于不同断面的拱肩锚轴力分布状态

拱肩锚轴力分布状态具体见表7和图9。

表7 拱肩锚轴力分布状态 /kN

图9 拱肩部锚体的轴力分布状态

从图9拱肩部锚体的轴力分布状态能够得出，锚体轴力状态呈弧线型分布，其中围岩断裂层处锚体轴力较其他剖面均相对较大，最大锚体轴力值为164.249 kN；其余剖面的拱肩锚轴力呈现为越远离围岩断裂层则轴力相对越大，而越远离围岩断裂层则锚体轴力提升速率相对越低。

3.2.3 基于不同断面的拱脚锚体轴力分布

拱脚锚体轴力分布状态见表8和图10。

表8 拱脚锚体轴力分布状态 /kN

从图10拱脚锚体轴力分布状态图能够看到，不同剖面部位的拱脚锚体轴力分布状态较为相近；起于锚体自由端，锚体轴力先是显著提升，在0.9 m处达到最大轴力状态，之后锚体轴力开始逐渐缓慢降低，直至发展至锚杆末端。

图10 拱脚锚体轴力分布状态图

3.3 中通压注锚移位规律

中通压注锚移位分布具体见图11，在围岩断裂层部位的上拱部锚件上发生最大锚移位，其最大值可达1.726 mm，见图12中红色所显示的部分；其它上拱部锚件的移位基于远离围岩断裂层的距离而呈现梯次减小态势；拱脚位置的锚体移位相对不明显。

图11 中通压注锚移位

图12 围岩体垂向压力状态

3.4 围岩体垂向压力状态

经过比对垂向压力分布状态的演变，以起始平衡下的垂向沉降应力云状态图为比对对象，分析围岩体应力及砌衬的应力。本文选择Y=128剖面部位的垂向沉降应力云状态图作为研究对象。见图12。

从图12围岩体垂向压力状态能够看到，垂向沉降应力的分布状态在隧洞附近出现转移，垂向沉降应力在绿色部分的隧洞两侧内壁上，较周边部分的应力值相对大；隧洞早期支撑防护锚杆及砌衬把来自上部的应力分解传递给周边岩体，发挥出相关围岩体的承力潜力；相较于周边岩体的垂向沉降力，上拱部垂向沉降应力相对要小，这是由于掘进导致上拱部岩体失去部分岩体支撑，岩体处在两向应力状态，围岩体逐步向隧洞形变，应力重新分布状态所导致的。

4 总 结

本文参考工程案例实用数据，借助离散元FLAC3D模拟计算分析的方式，对水工隧洞穿越断裂层应用中通压注锚杆课题开展了专题分析探究。主要内容如下：①参考案例技术参数，建立了隧洞穿越断裂层应用中通压注锚杆的离散元模拟分析模型；②围绕拱顶降沉特征、中通压注锚体轴力分布、中通压注锚移位规律和围岩体垂向压力状态，对隧洞穿越断裂层应用中通压注锚杆的相关应力应变规律开展了模拟计算和分析；③计算分析揭示，中通压注浆特种锚杆的杆体在围岩体出现形变后可以提供相对更大的支撑防护抗力；超前区域注浆防护，使拱部围岩体自承能力得到较大强化；中通压注浆特种锚杆使得注浆强固区域更大，把破碎带松散体在更大范围内形成胶结体，使围岩体的整体强韧度大幅提升；拱肩部锚体轴力状态呈弧线型分布，断裂层处锚体轴力较其他剖面的都相对较大，其余剖面的拱肩锚轴力呈现为越远离围岩断裂层则轴力相对越大，越远离围岩断裂层则锚体轴力提升速率相对越低的规律；围岩断裂层部位的上拱部锚件上发生最大锚移位，其它上拱部锚件的移位基于远离围岩断裂层的距离而呈现梯次减小态势；垂向沉降应力的分布状态在隧洞附近出现转移，垂向沉降应力在绿色部分的隧洞两侧内壁上，较周边部分的应力值相对大。