软岩偏压隧道中夹岩施工扰动效应及控制技术研究

2020-06-05李军

中外公路 2020年2期

李军

(湖南建工交通建设有限公司，湖南长沙 410000)

由于软弱围岩具有强度小、变形大的特点，小净距隧道中夹岩柱厚度较小，在隧道施工过程中多次受到扰动容易发生塑性破坏，为了保证中夹岩稳定性，应采取相应的加固措施对其进行加固处理。确定合理的中夹岩加固范围参数是软弱围岩偏压小净距隧道设计和施工过程中需重点关注的问题，不仅是保证中夹岩柱加固措施有效性的必要前提，也是提高施工效率和效益的重要举措。

目前许多学者对偏压小净距隧道中夹岩柱扰动效应及加固保护措施进行了相关研究。何川等、许书生等、王更峰等、唐陶文等、刘芸等、万民科采用二维弹塑性数值计算方法，依托实际工程，研究了不同的加固措施(预应力锚杆加固、小导管注浆、普通锚喷支护及不同组合形式)对小净距中夹岩柱扰动效应的控制效果，并对几种加固措施进行了适应性比选研究；杨建平等、黄志义等、章慧健等、张其来等、李君君等、谢俊杰等结合实际工程的施工特点，基于数值模拟及模型试验方法，分别研究了支护时机、施工顺序、施工方法对小净距隧道中夹岩稳定性的影响，为实际工程中夹岩加固方案的制定提供了理论依据。已有研究对于中夹岩加固往往只能结合具体依托工程进行规律性研究与加固措施效果分析，而对于加固范围参数量化的研究甚少，目前对于加固范围参数的取值大多凭借经验，往往会给工程带来经济性的浪费或者安全隐患，因此有必要对其开展相关研究。

该文基于实际工程，采用Abaqus建立数值分析模型，研究不同净距和坡度对软弱围岩偏压小净距隧道中夹岩围岩塑性区发展规律的影响，并研究中空注浆锚杆长度变化对中夹岩变形影响，得到合理加固参数。

1 工程概况

某隧道为高速公路双向四车道隧道，隧道开挖高度10.44 m，单洞开挖宽度13.31 m。隧道进口段为小净距段，围岩等级为Ⅴ级，围岩强度低，隧道小净距长度140 m，最小净距6.5 m，隧道小净距段地面最大坡度45°，左洞较右洞埋深浅，存在明显的地形偏压，现场隧道施工采用上下台阶法，开挖时先开挖浅埋洞，再开挖深埋洞，隧道施工风险较大，中夹岩强度低，变形较大，需要对中夹岩进行加固处理。隧道二衬采用C30钢筋混凝土，厚度为0.5 m，初期支护采用φ6 mm钢筋网(20 cm×20 cm)+ 26 cm C25混凝土+I20a钢拱架,纵向间距0.5 m，隧道拱部、边墙及中夹岩柱采用φ25 mm中空注浆锚杆进行加固，中夹岩区域锚杆长度5.5 m，其余区域锚杆长度4.5 m，隧道支护横断面如图1所示。

图1 隧道支护横断面(单位：cm)

2 有限元模型建立

基于Abaqus建立三维数值分析模型(图2)，模型宽度120 m，高度100 m，纵向深度100 m，围岩选取实体单元模拟，定义模型的上边界为自由边界，对模型左右边界x方向、模型底部y方向的位移进行约束，前后方向z方向进行约束。设置坡度和净距工况如表1所示，计算参数见表2。

图2 有限元模型

表1 Ⅴ级围岩计算工况

注：√表示计算工况。

表2 计算参数(Ⅴ级围岩)

3 计算结果分析

提取不同计算工况下中夹岩塑性区结果见图3。

由图3可知：

(1) 当净距较大而坡度较小时，以净距>18 m的工况为例，两洞开挖各自引起的塑性区没有相交区域，将其称为塑性区分离；当10 m<净距<18 m时，在洞顶上方的中夹岩柱部位出现塑性区贯通，但该部位是塑性变形量值很小的塑性区边缘位置，最大等效塑性应变位于隧道开挖轮廓面附近，而没有出现在塑性区贯通位置，将其称为塑性区边缘贯通。在净距较小时，以净距<10 m的工况为例，深埋洞和浅埋洞的塑性区相互贯通，且其塑性区贯通位置处于两洞开挖引起的塑性变形量较大的塑性区中心位置，最大等效塑性应变均位于贯通区域内，此时表现为塑性区中心贯通。

图3 塑性区变化(单位：m)

(2) 塑性区边缘贯通其实质是在从塑性区中心贯通到塑性区分离的一种过渡形态，只出现在坡度大、偏压严重的情况下。随着净距的增加，这些塑性区边缘贯通最后都将变成塑性区分离形式；塑性区中心贯通产生的围岩塑性变形要比塑性区边缘贯通和塑性区分离的围岩塑性变形严重得多。因此，应作为小净距隧道中夹岩加固处理的重点。

为了进一步分析净距变化对中夹岩围岩稳定性的影响，运用岩石抗剪安全系数K，对各特征点按式(1)进行强度验算，以安全系数允许值[K]≥1.2作为中夹岩柱围岩稳定性判别条件。

(1)

式中：K为抗剪安全系数；φ为内摩擦角；c为黏聚力；σ1、σ3为最大、最小主应力。

中夹岩特征点布置如图4所示，提取不同小净距下中夹岩A，B，C共3个特征点抗剪安全系数计算结果如图5所示。

图4 中夹岩柱特征点布置图

图5 特征点围岩抗剪安全系数变化曲线

由图5可知：围岩抗剪安全系数随净距增加而逐渐增大，各特征点的变化规律基本一致，增大速度越来越小，最终将趋于稳定。A、B、C所对应的净距分别为5.6、6.5、9.2 m时，中夹岩柱特征点抗剪安全系数达到临界值1.2，中夹岩中中心位置抗剪安全系数小于深埋洞与浅埋洞边缘安全系数。当净距小于10 m时，中夹岩柱抗剪安全系数小于允许值，中夹岩柱处于塑性区贯通破坏状态，需要对中夹岩柱进行加固，以保证中夹岩的稳定性，当净距大于10 m，中夹岩柱抗剪安全系数大于允许值，中夹岩柱未出现剪切破坏，可不对中夹岩进行加固。

4 锚杆长度对中夹岩柱加固效果的分析

由前文分析可知，当净距为5.6 m时，中夹岩柱稳定性达到临界状态，为了更好地体现锚杆长度的加固效果，提取净距为5.6 m时，隧道中夹岩柱在未加固情况下的塑性区分布图见图6。A、B、C特征点位置围岩抗剪安全系数分别为0.98、1.12、1.2。

图6 未加固情况下隧道塑性区分布(单位：m)

由图6可知：该工程在中夹岩未采取加固措施下，隧道施工过程中中夹岩产生位移较大，中夹岩最大位移为31.2 mm，且中夹岩柱特征点抗剪安全系数均小于1.2，出现塑性区中心贯通破坏，为了有效地控制中夹岩塑性区范围的扩展，现场应对中夹岩进行加固。

确定锚杆长度成为加固方案的关键问题，不同锚杆长度下锚杆轴力、中夹岩位移、浅埋侧和深埋侧拱顶沉降及衬砌结构安全系数计算结果如图7～10所示。

图7 锚杆长度对轴力的影响

图8 锚杆长度对位移的影响

图9 锚杆长度对浅埋侧隧道结构的影响

由图7～10可知：

(1) 当锚杆长度小于4 m时，锚杆轴力随着锚杆长度增大而增大较为明显，当锚杆长度大于4 m时，锚杆轴力随长度增大而变化较小，且最终趋于稳定；增大锚杆长度对中夹岩位移控制效果较为明显，随着锚杆长度的增大，中夹岩位移逐渐减小，且最终趋于稳定，在锚杆长度为4 m时，继续增大锚杆长度对减小中夹岩位移效果不明显；基于锚杆长度变化对锚杆轴力及中夹岩位移的影响，锚杆长度取4 m较为合理。

图10 锚杆长度对深埋侧隧道结构的影响

(2) 深埋洞侧锚杆轴力要远大于浅埋侧，且随锚杆长度变化更为显著，深埋侧锚杆受力较浅埋侧锚杆受力更为不利，这是由于地形存在偏压效应，导致深埋侧围岩压力比浅埋侧要大，锚杆受力呈现不对称性，因此，对于偏压小净距隧道，其支护参数可以进行合理的调整，对于浅埋洞可以采用规范规定的同等级别下支护参数的较小值，深埋洞可以采用规范规定的同等级别下支护参数的较大值，以使浅、深埋两洞受力更加合理。

(3) 当锚杆长度小于4 m时，隧道拱顶沉降及安全系数随着锚杆长度增大而变化较为明显，当锚杆长度大于4 m时，隧道拱顶沉降及安全系数随长度增大而变化较小，且最终趋于稳定；增大锚杆长度对减小拱顶沉降及增大隧道结构安全性效果较为明显，基于锚杆长度变化对锚杆轴力、中夹岩位移、隧道拱顶沉降及安全系数的影响，锚杆长度取4 m较为合理。

5 中夹岩注浆加固效果分析

现场最终采取φ25 mm中空注浆锚杆加固措施对中夹岩进行加固，间距为80 cm(环向)×50 cm(纵向)，浅埋侧中夹岩锚杆长度取4 m，深埋侧锚杆长度取4.5 m，并对现场隧道的水平和竖向位移及锚杆轴力进行监测，现场位移监测点(O、A、B、C、D、E点)布置如图11所示，其中B、D、E点为竖向位移监测点，O、A、C点为中夹岩柱水平位移监测点，水平位移测试采用预埋测斜管进行测试，A、C点位置锚杆轴力采用锚杆轴力计，隧道施工监测时间为2017年3月到2017年8月，各监测点量测数据如图12～14所示。

由图12～14可知：

(1) 隧道位移及锚杆轴力随着施工时间增大先增大，最终趋于稳定，中夹岩中部水平位移要大于边缘位移，随着隧道的施工中夹岩柱整体往浅埋侧偏移，且浅埋侧水平位移与竖向位移要大于深埋侧位移。