预应力树脂锚杆在软岩大变形隧道中的应用研究

郭 磊

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550000)

0 引言

树脂锚杆支护技术因其施工快捷、成本低、效果相对较好等原因,被大量应用于早期煤矿巷道中。但由于在隧道工程中应用树脂锚杆支护技术相关工程案例较少,对于隧道变形效果控制不明确,配套施工工艺不成熟等原因,脂锚杆支护技术在隧道工程中的应用却发展缓慢。故在以往的隧道工程中主流的支护方式主要为水泥砂浆锚杆支护[1-3]。但是,我国国土面积幅员辽阔,且随着路网密度增加、公路覆盖率增加,公路修筑过程中隧道修建时遇到的地质条件也更加复杂多样。这就要求隧道支护的设计理念必须随着技术发展转变,从被动支护理念转变为主动支护理念。预应力锚杆支护的概念应运而生[4-5]。预应力锚杆支护首要考虑时效性,因为锚杆施加预应力需要的时间长短对隧道支护安全具有一定的影响。在主动支护的设计理念下,预应力树脂锚杆因其施工便捷,相较于传统水泥砂浆锚杆需要较长时间硬化后方可施加预应力的优势。再次被尝试在隧道工程中使用。本文依托某典型的软岩大型隧道工程,对比水泥砂浆锚杆支护段与预应力树脂锚杆支护段隧道洞的水平收敛、拱顶沉降与围岩压力等,分析预应力树脂锚杆的应用效果,以期为预应力树脂锚杆在隧道工程中的应用提供一定的经验。

1 工程应用

1.1 项目概况

试验段位于某西南公路隧道中,隧长6 561 m。隧道内路线单向纵坡0.39%。洞身最大埋深约213 m,最小埋深约17 m。隧址区4条断层发育,穿越灰岩夹白云岩地段,岩性复杂,变化频繁,地层间接触复杂。局部揉皱发育。围岩受构造应力影响,岩体破碎—极破碎,节理裂隙较发育,局部发育节理密集,围岩整体性差,自稳性差,掌子面潮湿,局部有渗水。施工过程中易出现洞身塌方、地表塌陷、挤压变形等问题。洞内围岩情况见图1。洞内围岩物理性状参数如表1所示。

图1 隧址处围岩情况图

表1 围岩参数

1.2 支护设计

两段试验段均采用采用三台阶预留核心土法施工工艺,弱爆破或机械开挖。监控量测点布置如图2所示。支护参数设计见表2。

图2 隧道内衬砌及监控点布设情况示意图

表2 锚杆支护设计参数

2 两种锚杆支护效果研究

2.1 参数选择

其它参数不变,只改变两种锚杆的间距,监测不同的锚杆、不同的间距下围岩产生的位移(νmax)数据、应力(σmax)数据,支护参数见表3。

表3 锚杆支护参数

其它参数不变,只改变两种锚杆的长度,监测不同的锚杆、不同的长度下围岩产生的位移(νmax)数据、应力(σmax)数据,支护参数见表4。

表4 不同长度锚杆支护数据

2.2 模型建立

利用迈达斯有限元软件2D模型,根据相关资料[6-13]以及隧道尺寸,模型高度为5倍洞高,模型宽度为5倍洞宽,本项目隧道隧道高度为12.06 m,宽度为11.59 m,故而拟建模型高×宽=60 m×60 m,如图3所示。

图3 监测数据预测模型

2.3 数据分析

各个支护参数下,围岩应力云图及位移云图如图4～图13所示。由图4、图5可知,水泥砂浆锚杆支护和预应力树脂锚杆支护监测断面的位移(νmax)数据分别为0.58 m、0.27 m;围岩应力(σmax)数据分别为555 kN/m2、344 kN/m2。位移(νmax)数据降低51.71%,围岩(σmax)数据降低38.30%,能够得出结论:树脂锚杆支护效果优于水泥砂浆锚杆的支护效果。

图4 水泥砂浆锚杆支护下围岩位移及应力

图5 预应力树脂锚杆支护下围岩位移及应力

由图6～图7可知,水泥砂浆锚杆支护和预应力树脂锚杆支护监测断面的位移(νmax)数据分别为0.44 m、0.19 m;围岩应力(σmax)数据分别为465 kN/m2、297 kN/m2。计算结果表明,当锚杆环距为0.8 m时,预应力树脂锚杆较水泥砂浆锚杆支护而言,位移νmax降低53.50%,围岩应力σmax降低39.90%预应力树脂锚杆支护效果优于水泥砂浆支护效果。

图7 间距0.8 m条件下预应力树脂锚杆支护的围岩位移及应力

由图8、图9可知,水泥砂浆锚杆支护和预应力树脂锚杆支护监测断面的位移(νmax)数据分别为0.33 m、0.18 m;围岩应力(σmax)数据分别为355 kN/m2、228 kN/m2。计算结果表明,当锚杆间距缩小为0.5 m时,位移(νmax)数据降低48.49%,围岩(σmax)数据降低35.30%,能够得出结论:树脂锚杆支护效果优于水泥砂浆锚杆的支护效果。

图8 间距0.5 m条件下水泥砂浆锚杆支护的围岩位移及应力

图9 间距0.5 m条件下水泥砂浆锚杆支护的围岩位移及应力

由图10、图11可知,水泥砂浆锚杆支护和预应力树脂锚杆支护监测断面的位移(νmax)数据分别为0.26 m、0.12 m;围岩应力(σmax)数据分别为425 kN/m2、379 kN/m2。计算结果表明,当当锚杆长度缩小为5.5 m时,位移(νmax)数据降低47%,围岩(σmax)数据降低10.86%,能够得出结论:树脂锚杆支护效果优于水泥砂浆锚杆的支护效果。

图10 长度5.5 m条件下水泥砂浆锚杆支护的围岩位移及应力

图11 长度5.5 m条件下预应力树脂锚杆支护的围岩位移及应力

由图12、图13可知,水泥砂浆锚杆支护和预应力树脂锚杆支护监测断面的位移(νmax)数据分别为0.18 m、0.07 m;围岩应力(σmax)数据分别为349 kN/m2、209 kN/m2。计算结果表明,当当锚杆长度缩小为7.0 m时,位移(νmax)数据降低57.88%,围岩(σmax)数据降低40.22%,能够得出结论:树脂锚杆支护效果优于水泥砂浆锚杆的支护效果。

图12 长度7 m条件下水泥砂浆锚杆支护的围岩位移及应力

图13 长度7 m条件下预应力树脂锚杆支护的围岩位移及应力

3 结语

本文依托某大型软岩隧道开展预应力树脂锚杆软岩大变形控制效果试验,分析结合现场的实际情况,分析数据后得到初步结论:

(1)研究发现,锚杆长度范围为5.0～7.0 m、局部加密范围为0.5～0.8 m时,预应力树脂锚杆的支护效果优于传统水泥砂浆锚杆的支护效果。其他体积参数的预应力树脂锚杆的支护效果有待进一步研究。

(2)施作预应力树脂锚杆对于降低拱顶沉降变形速率与变形值均有明显作用,本次试验变形值降低51.73%;围岩应力降低38.70%。