■周 龍

（三明市公路事業(yè)發(fā)展中心泰寧分中心，三明 354400）

隨著國家規(guī)劃進(jìn)一步推進(jìn)， 全國交通工程快速發(fā)展，在隧道修建進(jìn)程中，穿越不良地質(zhì)區(qū)域的隧道施工難度驟升，軟巖等不良地質(zhì)區(qū)域時常發(fā)生垮塌與滑坡等災(zāi)害，結(jié)合凍土凍融循環(huán)等作用，同時伴隨巖溶與地下水發(fā)育，隧道施工穩(wěn)定性面臨巨大挑戰(zhàn)，因此，面對穿越軟巖區(qū)域隧道的施工加固技術(shù)需進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計，確保施工安全穩(wěn)定性[1]。 軟弱巖遇地下水可進(jìn)行降級處理，為解決相關(guān)難題學(xué)者們分析隧道設(shè)計與施工，總結(jié)出一系列隧道軟圍加固設(shè)計方案與施工方法。 唐超等[2]、周淵韜[3]通過計算預(yù)測隧道施工區(qū)間IV 與V 級圍巖涌水量，分析水量大小與隧道巖體相應(yīng)承載性能，得出注漿加固圈合理厚度；張興[4]、石鈺鋒等[5]針對軟弱地層隧道，運(yùn)用數(shù)值仿真分析不同加固措施對隧道穩(wěn)定性的影響，利用相關(guān)隧道穩(wěn)定指標(biāo)評價加固范圍合理性；陳桂林[6]、吳昊[7]設(shè)計不同加固方案，優(yōu)化加固技術(shù)與注漿材料，建立相應(yīng)模型計算對應(yīng)指標(biāo)分析軟弱圍巖鐵路隧道穩(wěn)定性與支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力；吳月紅[8]建立有限元模型，探討抗浮錨桿及“抗浮錨桿+超前管幕”兩種加固模型，分析對比兩種加固措施的效果；王浩等[9]建立對拉錨桿加固力學(xué)模型，分析對拉錨桿加固后中巖墻的力學(xué)特征。

基于上述研究，本研究以隧道穿越軟巖區(qū)域為背景，分析不同“錨桿長度＋注漿范圍”工況下巖體位移與塑性區(qū)，總結(jié)初支內(nèi)力變化規(guī)律，結(jié)合經(jīng)濟(jì)環(huán)保特點確定合理“錨桿＋注漿”范圍，以期為軟巖隧道加固設(shè)計與施工階段提供參考。

1 工程簡介

該隧道位于軟巖不良地質(zhì)區(qū)域，隧道巖性以強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r為主，部分區(qū)間表現(xiàn)為巖溶地下水發(fā)育，巖體性質(zhì)較差，區(qū)域周邊圍巖多為V 級圍巖，隧道平均埋深為66 m，整體跨度為11.0 m，高度為9.6 m，本研究監(jiān)測斷面施工階段僅建立初期支護(hù)，采用CD法進(jìn)行開挖，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖1，將初支、鋼筋網(wǎng)型鋼統(tǒng)一等效換算進(jìn)行簡化[10]，求解得出巖體與復(fù)合式支護(hù)材料相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 巖體與復(fù)合式支護(hù)材料相關(guān)參數(shù)

圖1 隧道V 級支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 數(shù)值模型與參數(shù)設(shè)置

隧道開挖影響范圍約為3 倍洞跨且僅考慮開挖進(jìn)尺1 m，數(shù)值模型上邊界距隧頂66 m，下邊界距隧底50 m，左右邊界距隧道兩側(cè)50 m，巖體與注漿范圍采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，初支采用彈性模型，對應(yīng)單元展開模擬，力學(xué)邊界表現(xiàn)為上邊界自由，左、右、前、后與下邊界固定，注漿巖體彈性模量增強(qiáng)約為30%[11]，數(shù)值模型見圖2，對應(yīng)監(jiān)測點為隧道頂部、拱肩、拱腰、拱腳、底部。

圖2 軟巖隧道數(shù)值模型

3 數(shù)值模擬結(jié)果

選取隧道對稱右半邊數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以頂部、右拱肩、右拱腰、右拱腳與底部對應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)對象的研究，數(shù)值模擬工況如下：當(dāng)錨桿長度4.0 m時，注漿厚度分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m；當(dāng)注漿厚度4.0 m 時，錨桿長度分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m。

3.1 隧道周邊巖體位移

提取數(shù)值模型中相關(guān)部位對應(yīng)水平與豎直位移，首尾工況數(shù)值云圖見圖3。 從圖3 可知，水平與豎直位移較大值分別位于拱腰與頂?shù)撞俊?/p>

圖3 隧道周邊巖體位移云圖

針對不同工況的隧道頂部沉降、拱腰收斂與底部隆起3 種特征值變化規(guī)律見圖4，頂部沉降、拱腰收斂與底部隆起允許位移分別為11.0、14.3 與11.0 mm[12]，分析得出以下結(jié)論：（1）不同工況下的頂部沉降、拱腰收斂與底部隆起峰值分別為3.15、0.44與4.29 mm，3 種特征值均未超過允許位移值，說明隧道施工階段整體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)；（2）當(dāng)錨桿長度恒為4.0 m， 頂部沉降隨注漿范圍增加而減小且減小速率由大到小， 底部隆起與頂部沉降變化趨勢一致， 拱腰收斂隨注漿范圍增加而緩慢增加且變化不明顯；當(dāng)注漿范圍恒為4.0 m，頂部沉降隨錨桿長度增加而減小且減小速率迅速降低，底部隆起與頂部沉降變化趨勢一致，拱腰收斂基本不受影響，有輕微增大；（3）錨桿長度恒定，注漿范圍超過3.0 m 后，周邊巖體各部位位移變化不再明顯，若繼續(xù)增大注漿范圍不滿足經(jīng)濟(jì)合理的方針；注漿范圍恒定，當(dāng)錨桿長度超過3.0 m 后，隧道周邊圍巖亦無明顯變化， 說明錨桿長度3.0 m 已經(jīng)滿足設(shè)計要求，不需設(shè)置更長錨桿進(jìn)行加固，可對原設(shè)計4.0 m 錨桿設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。 綜合不同工況位移情況，分析得出合理加固范圍為“錨桿3.0 m+注漿3.0 m”。

圖4 不同工況隧道位移特征值變化規(guī)律

3.2 隧道周邊巖體塑性區(qū)

巖體位移與塑性區(qū)存在聯(lián)系，位移包括彈性與塑性變形，隧道施工階段瞬間卸荷，彈性變形較快發(fā)生，隨隧道進(jìn)一步開挖，由于掌子面巖土體的缺失，巖體發(fā)生較多變形，呈現(xiàn)隧道周邊塑性松動區(qū)，也叫作塑性區(qū)。 本研究注漿加固措施意在填充巖體縫隙，達(dá)到加強(qiáng)巖體的目的，而錨桿主要起到聯(lián)結(jié)節(jié)理與分層巖體的作用，可有效提高巖體的抗剪能力，塑性區(qū)分為剪切、拉伸與剪切拉伸復(fù)合塑性區(qū)，其中危險性剪切拉伸>拉伸>剪切， 拱腳處支護(hù)及時封閉成環(huán)，可減少圍巖剪切塑性區(qū)，由于篇幅有限，塑性區(qū)云圖僅列出部分如圖5 所示，總結(jié)出隧道周邊巖體塑性區(qū)分布規(guī)律如下：（1）隧道施工后如未采取加固措施，塑性區(qū)立即產(chǎn)生于拱腳部位，塑性區(qū)主要為剪切塑性區(qū)，此處塑性區(qū)范圍超過了隧道半徑30%，隧道存在局部破壞的可能，需進(jìn)行相應(yīng)加固措施，縮小塑性區(qū)范圍也應(yīng)保證塑性區(qū)有一定發(fā)展，減小支護(hù)的受力；（2）施工后立即采取加固措施，塑性區(qū)會相應(yīng)減小，經(jīng)過加固后拱腳處塑性區(qū)明顯減小，部分工況下的剪切塑性區(qū)轉(zhuǎn)換為拉伸塑性區(qū)；對比“4.0 m 錨桿+3.0 m 注漿”與“3.0 m 錨桿+4.0 m 注漿”2 種工況發(fā)現(xiàn)，錨桿長度過長會使得剪切塑性區(qū)轉(zhuǎn)換為拉伸塑性區(qū)，說明錨桿過長并不一定適用，可適當(dāng)減小錨桿長度，注漿范圍大于3.0 m，塑性區(qū)未發(fā)生明顯變化，可優(yōu)化加固設(shè)計采用“錨桿3.0 m+注漿3.0 m”，既可達(dá)到同樣加固效果，也可滿足經(jīng)濟(jì)合理性。

圖5 隧道周邊巖體塑性區(qū)分布云圖

3.3 隧道初期支護(hù)安全系數(shù)

按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2002）對支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)進(jìn)行計算，提取有限差分軟件殼單元提取軸力N 與彎矩M，初期支護(hù)安全系數(shù)換算見公式（1）～（2），初支抗壓安全系數(shù)容許值為2，抗拉安全系數(shù)容許值為2.7，軸力均為壓力，計算出不同工況下各部位初期支護(hù)安全系數(shù)見圖6。

圖6 不同工況初期支護(hù)安全系數(shù)變化規(guī)律

式中：Ra為混凝土抗壓強(qiáng)度；R1為混凝土抗拉強(qiáng)度；K 為初期支護(hù)安全系數(shù)；N 為軸力（kN）；b 為截面寬度（m）；h 為截面厚度（m）。

由圖6 可知，不同工況下隧道初支安全系數(shù)變化規(guī)律如下：（1）隧道在施工階段采取加固措施，無論是抗壓或是抗拉安全系數(shù)均高于容許值，說明隧道施工處于安全穩(wěn)定，各部位初期支護(hù)安全系數(shù)隨注漿范圍或錨桿長度的增加而增加，說明加固措施可有效保證隧道的穩(wěn)定性，初期支護(hù)安全系數(shù)提升程度排序為注漿加固＞錨桿長度。 （2）不同工況下的隧道初支安全系數(shù)峰值均位于底部，安全系數(shù)較低值部位為拱腳與拱腰，尤其是拱腳處剪力較大易發(fā)生剪切破壞， 施工期間應(yīng)盡快形成初期支護(hù)整體，防止過大變形。 對初支安全系數(shù)而言，注漿加固效果明顯優(yōu)于錨桿加固，若考慮提升施工期間初支安全系數(shù)，可適當(dāng)調(diào)整注漿范圍與錨桿長度，注漿范圍過大與錨桿過長， 初支安全系數(shù)不會有明顯提升，結(jié)合成本與施工等維度得出“錨桿3.0 m+注漿3.0 m”為合理加固范圍，加固區(qū)域為隧道周邊巖體3.0 m 區(qū)域，采用注漿錨桿聯(lián)合加固。

4 結(jié)論

以某軟巖隧道為工程背景，利用GTS NX 有限元軟件進(jìn)行前期建模處理， 結(jié)合有限差分軟件FLAC3D 進(jìn)行后期處理， 針對 “錨桿長度＋注漿范圍” 不同工況下的隧道周邊巖體位移與塑性區(qū)范圍， 提取施工階段初支內(nèi)力結(jié)果計算安全系數(shù)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)合理、 施工便利原則確定了合理 “錨桿＋注漿”加固范圍，得出下列結(jié)論：（1）頂部沉降、拱腰收斂與底部隆起峰值均未超過允許位移值，隧道處于施工穩(wěn)定狀態(tài)；頂部沉降與底部隆起隨注漿范圍或錨桿長度增加而減小，拱腰收斂無明顯變化；從巖體位移確定“錨桿3.0 m+注漿3.0 m”為合理加固范圍；（2）拱腳處塑性區(qū)范圍過限且存在局部破壞可能性；采取加固可有效減小拱腳塑性區(qū)；錨桿長度應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，“錨桿3.0 m+注漿3.0 m” 可滿足加固效果，符合經(jīng)濟(jì)合理原則；（3）不同工況下初支安全系數(shù)高于容許值且隧道處于穩(wěn)定；初支安全系數(shù)隨注漿或錨桿長度增加而增加，安全系數(shù)提升效果：注漿加固>錨桿長度；初支安全系數(shù)峰值位于底部，較低處為拱腳與拱腰，注漿效果明顯優(yōu)于錨桿，可適當(dāng)調(diào)整注漿與錨桿，考慮施工成本得出“錨桿3.0 m+注漿3.0 m”為合理加固范圍。