王 朋 趙彥君 吳紅剛 王豫晉 王 江 車志遠 李慧慧

(1. 中鐵北京工程局集團有限公司,北京 102308; 2. 蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070;3. 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730099)

引言

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的推進,西北地區(qū)高速鐵路建設(shè)越來越多。 高速隧道開挖過程中,超前支護尤為重要,已有學(xué)者進行相關(guān)研究。 關(guān)寶樹系統(tǒng)總結(jié)隧道開挖后變形的基本對策,提出以“先支、快挖、快封閉”為基本原則進行施工和支護,主要包括小導(dǎo)管支護、管棚支護、錨桿支護、水平旋噴支護等[1-3];PASI TOLP PANEN 等闡述小導(dǎo)管注漿的要求、原料、工具、參數(shù)以及對注漿過程和質(zhì)量的把控要點[4];ZHANG等通過有限差分方法,分析在管棚支護下開挖對圍巖的擾動范圍[5];孫曉紅等通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場對比分析,研究不同樁間距條件下雙水平旋噴樁施工引起的地表隆起計算方法[6];M. KAVVADAS 等通過Abaqus軟件對隧道掌子面開挖進行大量的參數(shù)化三維數(shù)值分析,表明在保證掌子面穩(wěn)定性方面,采用這種方式效果更好[7]。

20 世紀50 年代,PIETRO LUNARDI 提出巖土變形控制工法,將隧道掌子面擠出變形作為研究重點,此方法也是新意法的別稱[8-9]。 之后,國內(nèi)外研究人員對新意法理論和施工進行廣泛的研究[10-12]。 王克忠等以野豬山隧道為依托,通過數(shù)值模擬研究新意法和臺階法開挖時掌子面的縱向變形和應(yīng)力變化規(guī)律[13];孫付峰等在施工中采用新意法對富水砂層進行加固,為類似地質(zhì)條件下的隧道建設(shè)提供一種可行的施工方法[14-15]。

針對錨桿支護,國內(nèi)外也有許多學(xué)者進行理論和試驗研究,DIAS 通過分析錨桿的拉應(yīng)力、切應(yīng)力以及彎矩對于掌子面穩(wěn)定性的影響,來探究錨桿的支護作用機理[16];梁鵬等將巖體破壞接近度指標(FAI)引入隧道支護設(shè)計,明確了圍巖臨界支護時機判別準則,基于有限差分數(shù)值計算程序,合理考慮巖體峰后應(yīng)變軟化特性,建立一種隧道最優(yōu)支護時機確定方法[17];KYOUNGWON 等研究掌子面錨桿的安裝角度[18];洪開榮等通過數(shù)值模擬軟件對錨桿支護效果進行研究,結(jié)果表明錨桿對掌子面的擠出變形的控制作用明顯,可以較好地抑制超前核心土變形[19];李斌通過FLAC3D 軟件對隧道進行動力響應(yīng)分析,認為錨桿加固可以顯著提高掌子面的抗震性能[20]。

綜上所述,以往研究對于新意法理論和施工以及有關(guān)錨桿支護試驗均有涉及,但關(guān)于隧道錨桿支護后的穩(wěn)定性與優(yōu)化效果的研究尚不完善。 因此,依托銀蘭高鐵香山隧道項目工程,開展室內(nèi)對比試驗,探究錨桿支護后對于掌子面和圍巖各個位置的穩(wěn)定性優(yōu)化情況。

1 工程地質(zhì)概況

銀川至蘭州高速鐵路香山隧道位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市(見圖1),起訖里程為DK39+990 ～DK57+753.3,總長17.763 km,被譽為“國內(nèi)在建第四,西北第一”的特長雙線鐵路隧道,是國家“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)重要的組成部分。 隧道在建設(shè)中穿越軟巖變形、富水地區(qū)、瓦斯地段、高地應(yīng)力等諸多不良地質(zhì),屬全線“高風(fēng)險、重難點”工程。

圖1 銀蘭高鐵香山隧道

香山隧道寧夏段DK43+925 ～DK44+000 段為Ⅳ級圍巖段,該段地層主要由上第三系中新統(tǒng)甘肅群紅柳溝組砂巖組成,平均埋深100 m,屬于深埋隧道。 隧道工程地質(zhì)斷面見圖2。

銀蘭高鐵香山隧道寬14.46 m,高12.32 m,隧道斷面見圖3。 施工中采用三臺階法開挖,臺階預(yù)留長度為3～5 m,上臺階開挖4.5 m,中臺階開挖2.7 m,下臺階開挖3.0 m,仰拱開挖2.12 m。 選取該段為試驗段進行超前支護優(yōu)化效果試驗研究。

圖3 銀蘭高鐵隧道橫斷面(單位:m)

2 模型試驗設(shè)計

為探究錨桿支護對于掌子面變形及圍巖穩(wěn)定性的影響,選取2 組開挖試驗進行對比,其中1 組試驗未施作超前支護,另一組試驗施作錨桿支護,其余條件均相同。

2.1 相似比確定及試驗材料選擇

相似材料的選擇對于試驗的成功至關(guān)重要,為滿足試驗?zāi)康?主要考慮相似材料的幾何相似參數(shù)、內(nèi)摩擦角、黏聚力、密度和重度,結(jié)合模型箱尺寸,確定本次試驗幾何相似比CL=50,依據(jù)相似理論和既有研究成果[21],模型材料重度Cγ和密度Cρ的相似比均為1?；诹烤V分析方法,確定模型材料內(nèi)摩擦角和黏聚力相似參數(shù)(分別為Cφ=1、Cc=50)。

采用紅黏土、砂、重晶石粉和石膏4 種材料模擬砂巖,采用正交配比的相似試驗方案之后進行室內(nèi)直剪試驗,最終所得砂巖相似材料配比為:土砂比(紅黏土與砂的重量比值)1 ∶2,重晶石粉占比(重晶石粉質(zhì)量與土和沙子總質(zhì)量的比值)40%,石膏占比(石膏質(zhì)量與土和沙子總質(zhì)量的比值)7%,含水量(水與所有固體組分質(zhì)量的比值)10%。 土體配比相似參數(shù)見表1。

表1 正交試驗原型材料及相似材料參數(shù)

2.2 模型箱尺寸

依據(jù)工程地質(zhì)概況,通過相似比換算得出隧道埋深為2 m,隧道開挖斷面寬度為28.92 cm,高度為24.64 cm,為方便隧道洞口的制作,將隧道寬度設(shè)定為29 cm,高度設(shè)定為25 cm,為滿足以上條件,并避免應(yīng)力集中問題,最終選取模型箱長2.4 m,寬1 m,高2.5 m。 模型箱示意見圖4。

圖4 香山隧道模擬模型箱示意

2.3 隧道開挖設(shè)計

為探究掌子面超前支護優(yōu)化效果,平行設(shè)置2 組試驗進行對比,在進行隧道開挖時,2 組試驗開挖設(shè)計和方式均相同。

依據(jù)現(xiàn)場施工進行三臺階法模擬開挖,由于所選試驗段已處于施工狀態(tài),所以分為兩大部分進行開挖(預(yù)開挖部分和正式開挖部分)。 其中,預(yù)開挖部分是將隧道模擬開挖至三臺階樣式,以滿足施工時的狀態(tài),并在開挖結(jié)束后通過石膏和鐵絲網(wǎng)相結(jié)合的方式施作襯砌;正式開挖部分為三臺階法開挖,以探究掌子面錨桿支護效果。

基于模型箱尺寸限制,本次試驗開挖550 mm,同時設(shè)定該斷面為目標監(jiān)測面,剩余450 mm 為預(yù)留段。通過相似比換算得知,每次開挖臺階長度為100 mm,為方便試驗操作,仰拱部位和下臺階同時進行開挖,上臺階高度為90 mm,中臺階高度為60 mm,下臺階高度為100 mm。 另外由于開挖的臺階數(shù)量較多,需對于每個臺階進行編號處理,按照編號從小到大依次開挖,本次共開挖9 個臺階,編號1～9。 具體開挖示意見圖5。

圖5 隧道開挖示意(單位:mm)

2.4 錨桿與測試儀器布設(shè)

采用BFRP(玄武巖纖維增強聚合物)錨桿施作超前支護,共布設(shè)31 根。 試驗中錨桿長150 mm,?2 mm,采用預(yù)埋方式進行布設(shè),錨桿埋設(shè)前外部涂抹環(huán)氧樹脂并裹上細砂,增加錨桿與土體的作用能力[22]。 另外,分別在3 根錨桿上布設(shè)應(yīng)變傳感器,錨桿布置位置見圖6。

為研究錨桿支護及優(yōu)化情況,監(jiān)測掌子面前方土壓力、掌子面擠出位移以及錨桿自身參數(shù)尤為重要。試驗中采用1 個自制位移計、13 個土壓力傳感器,6 個應(yīng)變傳感器,各類傳感器及錨桿布設(shè)見圖7。

圖7 測試儀器布設(shè)(單位:mm)

2.5 模型填筑

依據(jù)正交配比試驗所得出的結(jié)果進行土體配比,首先按比例稱取各部分配比所需材料,倒入攪拌機加水攪拌,由于攪拌后土體大小不均勻,再次進行人工篩土,過濾大顆粒土,保證試驗土體均勻。 填土前先用木板將模型箱上隧道洞口封口固定,防止土體露出,之后開始采用分層夯實的方法進行填土,填土過程中每隔20 cm 夯實1 次,確保每層土體的密實度相同。 另外,為避免填土出現(xiàn)的分層現(xiàn)象,填土前應(yīng)進行刮毛處理,并在填土過程中注意各類傳感器的埋設(shè),填筑高度達到傳感器埋設(shè)位置時進行傳感器埋設(shè),埋設(shè)結(jié)束后梳理線路,依此類推直至填滿整個模型。 模型填筑流程見圖8。

圖8 模型填筑流程

3 試驗結(jié)果分析

3.1 土壓力響應(yīng)分析

為研究掌子面附近各個測點土壓力變化情況,選取掌子面前方、掌子面前方上部圍巖以及掌子面后方上部圍巖3 處進行分析,隧道開挖至目標監(jiān)測面時,在自重應(yīng)力狀態(tài)下各個測點土壓力變化見圖9。 由于試驗操作問題,測點2 土壓力傳感器和采集箱連接失效,故未分析該位置處應(yīng)力變化情況。

由圖9 可知,錨桿支護后,各位置土壓力變化量相較于未支護時均發(fā)生了不同程度的減小,其中,測點4 位置土壓力變化量的差值最大,達到1.64 kPa,測點3 位置差值最小,只有0.01 kPa,而剩余3 個位置處差值相近,均在0.3～0.4 kPa 之間。 測點3 和測點4 所處位置的埋深相同,兩者與掌子面的水平距離不同,錨桿支護后,距離掌子面較遠的位置處,掌子面前方豎直方向土壓力時會由錨桿承擔大部分,試驗中測點4 位置土壓力變化量減少了72%,保證了前方土體的穩(wěn)定性;而沒有支護時,土壓力變化量很大,土體穩(wěn)定較差。另外測試了測點1、5、6 處錨桿對于水平方向土壓力的限制效果,平均土壓力變化量減少約25%,效果較為明顯。

同樣,在掌子面上部圍巖位置,只有測點9 土壓力變化量差值相近,變化量差值為0.18 kPa,其余位置的測點在經(jīng)過錨桿支護后,土壓力變化量均減小50%以上,其中測點10 土壓力變化量減小幅度最大,達到72%。 土壓力變化量的大小代表土體的穩(wěn)定性,變化量越大說明土體越容易產(chǎn)生變形,相反土體則越穩(wěn)定。 對比錨桿支護和未支護時測點10 和測點4 土壓力變化量,經(jīng)過錨桿支護后,掌子面前方土體穩(wěn)定性得到提升,從而上方土體產(chǎn)生變形的區(qū)間范圍減小,從側(cè)面提高了土體的穩(wěn)定性,錨桿支護對于上方土體產(chǎn)生了有利影響。 此外,在掌子面上方和測點4 位置測試的均為豎直方向的土壓力,這也說明了相較于水平方向,掌子面錨桿對于豎直方向的土壓力具有更好的承壓效果。

在掌子面前方及上部圍巖中,2 種情況下測點4 和測點10 位置處土壓力變化量減小幅度最大,經(jīng)過支護后穩(wěn)定性有明顯提升,為進一步分析土壓力響應(yīng)情況,選取測點4 和測點10 位置土壓力隨各臺階開挖時的變形曲線進行對比分析(見圖10、圖11)。

對比圖10、圖11 可知,隧道在未支護和錨桿支護2 種條件下,測點所受到的土壓力均為正值,并且呈上升趨勢,表明這2 個位置由于土體擠壓產(chǎn)生了變形。不同的是,未支護時土壓力增長趨勢頗為陡峭,而在經(jīng)過錨桿支護后,隨著隧道逐漸開挖,土壓力仍呈上升的趨勢,但趨勢增長緩慢,最后趨于穩(wěn)定。 另外,測點4 相較于測點10 埋深更大,經(jīng)過錨桿支護后,測點4 土壓力開始時為0.60 kPa,結(jié)束時為1.24 kPa,而測點10 土壓力開始時為0.92 kPa,結(jié)束時為1.43 kPa,測點4 位置每一步開挖承受的土壓力均小于測點10,這也表明錨桿支護對于掌子面前方土體的穩(wěn)定性有較大提升作用。

3.2 掌子面擠出變形分析

不同開挖條件下,隧道目標監(jiān)測面擠出位移情況可以直觀地反映錨桿支護對于掌子面穩(wěn)定性的優(yōu)化效果,各階段位移變形曲線見圖12。

由圖12 可知,經(jīng)過錨桿支護后掌子面在第4 步開挖時掌子面位移出現(xiàn)變化,第9 步時最終變形量為0.82 mm,而未施作支護時掌子面在第3 步開始出現(xiàn)擠出變形,最終變形達到1.74 mm。 通過對比可以看出,施作錨桿支護后,掌子面發(fā)生變形的時間較晚,開挖對掌子面變形的影響范圍同樣減小,并且最終發(fā)生變形的位移量也大幅減小,2 種情況下最終位移變形量減少0.92 mm。 另外從2 次開挖時掌子面發(fā)生位移的步數(shù)開始統(tǒng)計,掌子面位移減少量在42%～53%之間,平均每步減少量達到48.67%,擠出位移減少50%左右。 從上述分析可以看出,錨桿支護對于掌子面擠出變形的限制作用很大。

3.3 錨桿微應(yīng)變峰值分析

由錨桿支護后土壓力響應(yīng)變化和掌子面擠出情況可知,錨桿本身參數(shù)特征對于錨桿支護效果至關(guān)重要,可通過分析錨桿本身微應(yīng)變變化來反映錨桿支護效果。 不同位置錨桿的微應(yīng)變峰值曲線見圖13。

由圖13 可知,不同位置處錨桿微應(yīng)變峰值變化不同。 首先位于中部錨桿的微應(yīng)變峰值變化最小,為9.09 με,而上部錨桿的微應(yīng)變變化最大,為272.70 με,位于右側(cè)錨桿自身微應(yīng)變峰值變化居中,為48.48 με。 各個錨桿微應(yīng)變1 位置與微應(yīng)變2 位置縱向埋深相同,距離掌子面距離不同,分析2 條曲線,中部錨桿的這2 個位置的微應(yīng)變峰值均為最小,而距離掌子面較近時,上部錨桿微應(yīng)變峰值最大,距離掌子面較遠時,則側(cè)部錨桿微應(yīng)變峰值最大。

通過分析可以推測出造成上述情況的原因,距離掌子面較近時,由于前方土體的開挖,土體變形逐漸增大,錨桿對于掌子面進行支護,在掌子面最上部的錨桿,由于上方?jīng)]有限制土體變形的支護措施。 當距離掌子面較近時,上部錨桿的微應(yīng)變最大,這也再次說明了掌子面中上部容易發(fā)生變形。 反觀位于中部的錨桿,豎直方向上有其余錨桿一同支護,限制了土體變形,所以不論距離掌子面遠近與否,微應(yīng)變的峰值均較小。 距離掌子面較遠時,中部和上部錨桿的微應(yīng)變變化都比較小,說明錨桿支護對于掌子面前方較遠位置的土體也達到了穩(wěn)定的效果。 而側(cè)部微應(yīng)變較大,推測為填筑模型時土體未壓實,試驗過程中土體應(yīng)力增大所導(dǎo)致。

距離掌子面較近時,整體支護情況只有上部錨桿微應(yīng)變較大,而小導(dǎo)管以及管棚支護對于上部圍巖均有良好的加固效果。 因此,在圍巖穩(wěn)定性較差的情況下,可以配合加設(shè)超前錨桿施工,確保工作安全。

4 結(jié)論

為探究錨桿支護對于掌子面前方土體以及掌子面變形的優(yōu)化效果,以銀蘭高鐵香山隧道為依托進行模型對比試驗,通過三臺階法開挖,測試得到各個位置土壓力響應(yīng)特征、掌子面擠出位移數(shù)據(jù)以及錨桿自身微應(yīng)變,分析不同位置土壓力變化情況、掌子面變形情況和錨桿微應(yīng)變峰值變化結(jié)論如下。

(1)通過分析掌子面前方土體土壓力變化情況,推測得出錨桿支護對于土體變形有較好的限制效果,并且對于豎直方向土體的限制要優(yōu)于水平方向。

(2)在掌子面上方位置處,由于錨桿支護對于前方土體的加固,限制上方圍巖的變形范圍,間接提高了圍巖穩(wěn)定性。

(3)對比分析掌子面擠出位移,經(jīng)過錨桿支護后,掌子面最終變形量減少0.92 mm,在均發(fā)生位移變化的開挖中,減小50%的位移量。

(4)通過分析錨桿本身微應(yīng)變峰值,得知錨桿支護后位于掌子面中部位置的支護效果最優(yōu),而上部錨桿變形較大,可采用小導(dǎo)管和管棚加強支護。