胡恩來

摘要：針對(duì)松散堆積體地層，隧道施工出現(xiàn)大量的安全事故，大變形和塌方事故不可避免，因此有必要進(jìn)一步針對(duì)此類地層條件下的隧道施工技術(shù)開展深入的研究，從而為高速公路隧道的安全、快速施工提供重要保障。為此，文章開展數(shù)值模擬，研究了錨桿長(zhǎng)度對(duì)維持散巖堆積體中隧道洞口段穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：隧道在開挖過程中，左線隧道的豎向位移表現(xiàn)出拱肩>拱頂>拱底的分布規(guī)律，右線位移表現(xiàn)出拱底>拱頂>拱肩的分布規(guī)律;錨桿越長(zhǎng)，錨桿的軸力就越大，對(duì)圍巖的錨固效果就越好，對(duì)初支應(yīng)力有一定的改善;拱頂受拉錨桿對(duì)拱頂?shù)某两涤行》母纳?，但是邊墻處受壓，錨桿則對(duì)洞周水平收斂沒有幫助。

關(guān)鍵詞：散巖堆積體;錨桿長(zhǎng)度;圍巖穩(wěn)定性;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U453.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.037

文章編號(hào)：1673-4874（2021）01-0135-04

0引言

隧道可以很好地避免盤山公路帶來的公路曲折迂回、多彎道以及破壞自然環(huán)境等問題。近幾年隨著國家加大對(duì)基礎(chǔ)交通建設(shè)的投入，工程地質(zhì)環(huán)境也越來越復(fù)雜，因此對(duì)隧道施工技術(shù)也有更高的要求。對(duì)于大變形和塌方現(xiàn)象，這是在松散堆積體地層中施工所經(jīng)常遇見且難以避免的安全隱患，為此有必要針對(duì)在散巖堆積體地層條件下的隧道施工技術(shù)開展進(jìn)一步的深入研究，從而為高速公路隧道的安全、快速施工提供重要保障。在山嶺隧道的建設(shè)過程中，如何維持散巖堆積體中隧道洞口段的穩(wěn)定性便成了一個(gè)亟待解決的重大問題。

隧道工程施工多采取新奧法，其中初期支護(hù)工程的施作質(zhì)量是新奧法施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，初期支護(hù)施作時(shí)間盡量早封閉與圍巖共同組成承重環(huán)體系。王悅等[1]介紹了隧道工程支護(hù)的類型及作用，主要對(duì)錨桿施工、鋼架及大拱腳架施工、超前小導(dǎo)管施工、噴射混凝土施工的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，探討了各項(xiàng)施工技術(shù)應(yīng)注意的問題與要點(diǎn)，為同類工程施工積累了經(jīng)驗(yàn)。崔博[2]以火燒庵隧道為工程背景，通過與大管棚做對(duì)比，將自進(jìn)式錨桿注漿技術(shù)成功運(yùn)用于塌方體，闡述了該方法在隧道不良地質(zhì)段落中的應(yīng)用，以及自進(jìn)式錨桿注漿作為塌方處理的一種工法的優(yōu)點(diǎn)。李善英[3]在通過分析某公路隧道穿越軟巖破碎帶時(shí)發(fā)生大變形原因的基礎(chǔ)上總結(jié)出了軟巖大變形防治措施，優(yōu)化了支護(hù)參數(shù)，取得了良好的效果。趙鵬[4]基于獅子嶺隧道開展了有限元分析，提出了一種對(duì)尚未發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞區(qū)段采取“錨注一體化”并施加預(yù)應(yīng)力的加固方案。劉勇[5]采用“錨桿錨索加固、注漿加固、引導(dǎo)排水、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)”的綜合方案對(duì)隧道隆起病害段開展整治，可供散巖堆積體穩(wěn)定性工程參考。馬云長(zhǎng)等人[6]以結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡為例，采用ANSYS軟件進(jìn)行建模與網(wǎng)格劃分，研究了巖質(zhì)邊坡坡率與滑動(dòng)面傾角對(duì)錨桿效果的影響。王曉卿[7]開展了對(duì)拉錨桿索阻止結(jié)構(gòu)面剪切滑移的數(shù)值試驗(yàn)，研究了對(duì)拉錨桿索在原巖應(yīng)力條件下對(duì)結(jié)構(gòu)面剪切滑移的加固效果。封永梅[8]根據(jù)錨桿加固作用機(jī)制，分析了錨桿對(duì)巖土層間抗剪強(qiáng)度加固效果，獲取錨桿處于壓縮- 剪切或拉伸-剪切綜合作用下的屈服強(qiáng)度以及全部錨桿抗剪強(qiáng)度，對(duì)巖土高陡邊坡錨桿加固穩(wěn)定性和抗傾覆安全系數(shù)進(jìn)行了分析。

由此可以看出，對(duì)于隧道的穩(wěn)定性問題，不外乎為控制初支厚度、鋼拱架間距、錨桿長(zhǎng)度、二次襯砌厚度等措施。在目前國內(nèi)外對(duì)散巖堆積體中特大斷面公路隧道洞口段施工技術(shù)研究還不充分的情況下，如何采取有效措施確保隧道進(jìn)洞施工安全成了亟待解決的問題。因此，在前人工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)松散堆積體地層，本文通過有限差分法研究了錨桿長(zhǎng)度對(duì)散巖堆積體中隧道洞口段穩(wěn)定性的影響，從而為高速公路隧道的安全、快速施工提供重要保障。

1工程概況

1.1工程簡(jiǎn)介

火鳳山隧道穿越素填土區(qū)域，主要由粉質(zhì)黏土和碎、塊石組成，有少量植物根系，碎石含量為15%～50%，粒徑一般為0.2～50cm不等，母巖成分主要為泥巖、砂巖，是由附近施工工地的施工棄土就近堆填所形成，上部填土厚達(dá)21.1～33.2m，壓縮性大。原始斜坡地形總體向南東傾斜，地形坡角為32°，坡向約為144°。隧道位于土質(zhì)邊坡中部，斜坡高8～12.5m，現(xiàn)狀處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況下易沿原填土界面或填土內(nèi)部產(chǎn)生圓弧滑動(dòng)，隧道的開挖可能誘發(fā)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)。ZK2+960-ZK3+110、YK2+520-YK2+655為隧道進(jìn)口段，洞口自穩(wěn)能力較差，支護(hù)困難。

1.2工程地質(zhì)條件

本項(xiàng)目所依托工程火鳳山隧道場(chǎng)地內(nèi)地形地貌較復(fù)雜，水文地質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單。區(qū)內(nèi)上覆第四系松散堆積層塊石，厚5～20m，松散至中密，現(xiàn)狀穩(wěn)定。場(chǎng)地地震烈度為VIII度，地震動(dòng)峰值加速度為0.30g，地震反應(yīng)譜特征周期為0.40，區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地殼抬升明顯，屬抗震不利地段，有地震引起巖堆局部失穩(wěn)或表層松動(dòng)的可能，同時(shí)對(duì)危巖的穩(wěn)定性也存在不利影響。隧道進(jìn)口大面積覆蓋第四系崩坡積層塊石，厚度變化大，自然坡度約為38°～45°，坡面植被較發(fā)育，多為灌木和雜草組成，石質(zhì)成分為花崗巖，局部粉黏粒和砂土富集，大多呈松散至稍密狀，骨架多具架空現(xiàn)象。坡面總體向喇嘛嘴溝溝體方向傾斜，傾向約為348°～355°。該巖堆目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，不存在變形破壞跡象，但該區(qū)地震基本烈度為VIII度，地震活動(dòng)頻繁。隧道開挖后，拱部圍巖自穩(wěn)能力差，自穩(wěn)時(shí)間短，無支護(hù)或支護(hù)不到位時(shí)，易產(chǎn)生掉塊或較大的坍塌等事故，局部段易冒頂，且易造成巖堆失穩(wěn)，在洞口段施工過程中，極易發(fā)生安全事故，風(fēng)險(xiǎn)性極大。

下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J₂s）泥巖夾砂巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚0.80～3.70m。強(qiáng)風(fēng)化層巖體較破碎，中風(fēng)化層巖體較完整。構(gòu)造裂隙發(fā)育，層間結(jié)合一般，為軟巖。巖層呈單斜狀產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀為27°∠8°。巖體中構(gòu)造裂隙發(fā)育，主要可見2組產(chǎn)狀：（1）12°∠51°、（2）342°∠20°。地下水主要為松散巖類孔隙水，該段線路填土分布面積大，地形平坦不易排泄，因此在雨季或受周圍生活、施工排水影響會(huì)形成較多松散巖類孔隙水，對(duì)道路邊坡穩(wěn)定性影響大。沿線無滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育。

2數(shù)值模型分析

2.1數(shù)值模型的建立

本文本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，利用有限差分軟件FLAC^3D進(jìn)行三維數(shù)值分析。在模型建立時(shí)，考慮隧道開挖對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)，因此，建模時(shí)山體范圍沿隧道縱向取150m，鑒于圍巖影響范圍，模型寬度為隧道中軸線向邊側(cè)取50m，模型頂部為自然表面，模型下邊界從隧道底部延伸至以下35m處。

模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，模型上邊界為自由面（z軸向上為正），而底面為豎向約束，隧道開挖方向?yàn)閥軸正方向，模型的四周圍巖外邊界面為垂直圍巖面的法向約束。

2.2材料參數(shù)的選取

按照彈塑性理論來考慮隧道圍巖情況，巖體的物理參數(shù)主要是依靠土工試驗(yàn)來進(jìn)行確定。實(shí)際工程中常用管棚法及小導(dǎo)管錨桿精心超前加固，而在數(shù)值模擬過程中為模擬加固區(qū)。通常采用的方法是提高圍巖材料參數(shù)，參數(shù)的取值有時(shí)還得根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)資料或者依靠經(jīng)驗(yàn)類比的方法來進(jìn)行確定，具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2.3錨桿加固作用

錨桿是公路隧道主要的錨固方法之一，可以主動(dòng)加固巖土體，控制圍巖的變形，防止出現(xiàn)坍落和掌子面坍塌的現(xiàn)象。錨桿的主要作用效果如下：

（1）懸吊作用

將不穩(wěn)定的巖體固定懸吊在深處堅(jiān)固穩(wěn)定的巖層上，使其不致于掉落或者滑落。

（2）組合梁、板作用

對(duì)于水平成層圍巖，當(dāng)有錨桿張拉時(shí)，由于增大了層面間的摩擦，則可以承受剪力，呈整體性的組合梁工作狀態(tài)。

（3）加強(qiáng)作用

對(duì)有節(jié)理、裂縫等力學(xué)不連續(xù)面的地層打進(jìn)錨桿，可使松動(dòng)區(qū)節(jié)理裂隙、破裂面等得以聯(lián)結(jié)，從而增大加固區(qū)圍巖的強(qiáng)度（即e、φ值）。

（4）支承圍巖

錨桿受壓使開挖后處于二維應(yīng)力狀態(tài)的附近圍巖呈三軸應(yīng)力狀態(tài)，使得隧道壁面承受切向應(yīng)力的能力增大，從而呈現(xiàn)出很好的穩(wěn)定狀態(tài)。

3計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)于火鳳山隧道洞口段的巖堆體地層，錨桿的作用主要體現(xiàn)在加強(qiáng)和支撐圍巖作用，將松散的堆積體聯(lián)結(jié)成整體性較好的圍巖，以對(duì)巖體特性進(jìn)行增強(qiáng)和改善。錨桿的長(zhǎng)度和錨桿的間距屬于錨桿的關(guān)鍵性參數(shù)，本小節(jié)將對(duì)不同錨桿長(zhǎng)度的開挖工況進(jìn)行比較，主要分析錨桿長(zhǎng)度為3m、4m和5m三種工況下隧道洞室的位移和錨桿自身內(nèi)力，以判斷火鳳山隧道大塊徑巖堆體地層最適宜的錨桿長(zhǎng)度。

3.1錨桿長(zhǎng)度為3m時(shí)的結(jié)果分析

錨桿長(zhǎng)度為3m時(shí)，隧道拱頂產(chǎn)生較大沉降，隧道拱底產(chǎn)生較大隆起，隧道豎向位移收斂，在開挖完成30m斷面處，左線隧道拱頂沉降最大值達(dá)到了25.23mm，拱肩沉降最大值達(dá)到了28.36mm，隧道底部隆起最大值達(dá)到了15.01mm。右線隧道拱頂沉降最大值達(dá)到了18.15mm，拱肩沉降最大值達(dá)到了12.91mm，隧道底部隆起最大值達(dá)到了20.95mm。在開挖完成60m斷面處，左線隧道拱頂沉降最大值達(dá)到了3.42mm，拱肩沉降最大值達(dá)到了39.74mm，隧道底部隆起最大值達(dá)到了12.69mm。右線隧道拱頂沉降最大值達(dá)到了14.52mm，拱肩沉降最大值達(dá)到了12.98mm。隧道底部隆起最大值達(dá)到了20.08mm。隧道左線位移主要呈現(xiàn)出拱腳>拱腰>拱肩的分布規(guī)律;隧道右線位移表現(xiàn)出拱底>拱頂>拱肩的分布規(guī)律。

隨著開挖的進(jìn)行，隧道埋深逐漸增加，錨桿的軸力也逐漸增大，錨桿軸力的受壓最大值均出現(xiàn)在隧道拱頂位置，錨桿軸力的受拉最大值均出現(xiàn)在隧道邊墻位置。開挖到30m時(shí)，左線隧道錨桿軸力受壓最大值達(dá)到10.51kN，受拉最大值達(dá)到4.65kN;右線隧道錨桿軸力受壓最大值達(dá)到12.24kN，受拉最大值達(dá)到5.72kN。開挖到60m時(shí)，左線隧道錨桿軸力受壓最大值達(dá)到16.66kN，受拉最大值達(dá)到5.64kN;右線隧道錨桿軸力最大值達(dá)到16.88kN，受拉最大值達(dá)到7.68kN。

3.2錨桿長(zhǎng)度為4m時(shí)的結(jié)果分析

錨桿長(zhǎng)度為4m時(shí)隧道拱頂產(chǎn)生較大沉降，隧道拱底產(chǎn)生較大隆起，洞周位移收斂。在開挖完成30m斷面處，左線隧道拱頂沉降最大值達(dá)到了24.63mm，拱肩沉降最大值達(dá)到了28.64mm，隧道底部隆起最大值達(dá)到了14.32mm。右線隧道拱頂沉降最大值達(dá)到了17.68mm，拱肩沉降最大值達(dá)到了12.31mm，隧道底部隆起最大值達(dá)到了20.25mm。在開挖完成60m斷面處，左線隧道拱頂沉降最大值達(dá)到了31.02mm，拱肩沉降最大值達(dá)到了39.21mm，隧道底部隆起最大值達(dá)到了12.14mm。右線隧道拱頂沉降最大值達(dá)到了14.69mm，拱肩沉降最大值達(dá)到了12.36mm，隧道底部隆起最大值達(dá)到了19.35mm。隧道左線位移主要呈現(xiàn)出拱腳>拱腰>拱肩的分布規(guī)律;隧道右線位移表現(xiàn)出拱底>拱頂>拱肩的分布規(guī)律。圍巖變形在可控制的范圍內(nèi)，且圍巖變形是收斂的，可以正常進(jìn)行施工。

隨著開挖的進(jìn)行，隧道埋深逐漸增加，錨桿的軸力也逐漸增大，錨桿軸力的受壓最大值均出現(xiàn)在隧道拱頂位置，錨桿軸力的受拉最大值均出現(xiàn)在隧道邊墻位置。開挖到30m時(shí)，左線隧道錨桿軸力受壓最大值達(dá)到14.61kN，受拉最大值達(dá)到7.04kN;右線隧道錨桿軸力受壓最大值達(dá)到14.88kN，受拉最大值達(dá)到9.19kN。開挖到60m時(shí)，左線隧道錨桿軸力受壓最大值達(dá)到22.98kN，受拉最大值達(dá)到7.59kN;右線隧道錨桿軸力最大值達(dá)到2.5kN，受拉最大值達(dá)到8.60kN。

3.3錨桿長(zhǎng)度為5m時(shí)的結(jié)果分析

錨桿長(zhǎng)度為5m時(shí)隧道拱頂產(chǎn)生較大沉降，隧道拱底產(chǎn)生較大隆起，隧道豎向位移收斂。在開挖完成30m斷面處，左線隧道拱頂沉降最大值達(dá)到了24.25mm，拱肩沉降最大值達(dá)到了28.37mm，隧道底部隆起最大值達(dá)到了1.18mm。右線隧道拱頂沉降最大值達(dá)到了17.46mm，拱肩沉降最大值達(dá)到了12.14mm，隧道底部隆起最大值達(dá)到了20.07mm。在開挖完成60m斷面處，左線隧道拱頂沉降最大值達(dá)到了30.01mm，拱肩沉降最大值達(dá)到了38.26mm，隧道底部隆起最大值達(dá)到了11.76mm。右線隧道拱頂沉降最大值達(dá)到了14.21mm，拱肩沉降最大值達(dá)到了11.98mm，隧道底部隆起最大值達(dá)到了18.56mm。隧道左線位移主要呈現(xiàn)出拱腳>拱腰>拱肩的分布規(guī)律;隧道右線位移表現(xiàn)出拱底>拱頂>拱肩的分布規(guī)律。圍巖變形在可控制的范圍內(nèi)，且圍巖變形是收斂的，可以正常進(jìn)行施工。

隨著開挖的進(jìn)行，隧道埋深逐漸增加，錨桿的軸力也逐漸增大，錨桿軸力的受壓最大值均出現(xiàn)在隧道拱頂位置，錨桿軸力的受拉最大值均出現(xiàn)在隧道邊墻位置。開挖到30m時(shí)，左線隧道錨桿軸力受壓最大值達(dá)到18.23kN，受拉最大值達(dá)到9.12kN;右線隧道錨桿軸力受壓最大值達(dá)到15.37kN，受拉最大值達(dá)到12.18kN。開挖到60m時(shí)，左線隧道錨桿軸力受壓最大值達(dá)到26.78kN，受拉最大值達(dá)到9.14kN;右線隧道錨桿軸力最大值達(dá)到24.05kN，受拉最大值達(dá)到9.28kN。

4結(jié)語

本文通過數(shù)值分析的方法，模擬3種不同的工況，計(jì)算和分析了在散巖堆積體中施工時(shí)隧道的豎向位移以及錨桿的受力特性，得到了如下結(jié)論：

（1）隧道在開挖過程中，左線隧道的豎向位移表現(xiàn)出拱肩，拱頂，拱底的分布規(guī)律;右線隧道位移表現(xiàn)出拱底，拱頂，拱肩的分布規(guī)律。

（2）錨桿越長(zhǎng)，所受軸力也就越大，從而對(duì)圍巖的錨固效果就越好，對(duì)初支應(yīng)力有一定的改善，并且由于拱頂打入的錨桿受拉力作用，能夠限制圍巖變形，因此拱頂?shù)某两涤兴纳啤５沁厜μ幋蛉氲腻^桿受壓，因此對(duì)洞周圍巖水平收斂沒有幫助。

（3）錨桿的軸力很小，甚至局部受壓，對(duì)初支的應(yīng)力改善有限，在0.3MPa左右波動(dòng)，對(duì)拱頂沉降的改善在2～3cm內(nèi)，對(duì)水平收斂則無甚效果。

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