锚杆长度对散岩堆积体中隧道洞口段稳定性的影响研究

2021-11-09胡恩来

西部交通科技 2021年1期

胡恩来

摘要：针对松散堆积体地层，隧道施工出现大量的安全事故，大变形和塌方事故不可避免，因此有必要进一步针对此类地层条件下的隧道施工技术开展深入的研究，从而为高速公路隧道的安全、快速施工提供重要保障。为此，文章开展数值模拟，研究了锚杆长度对维持散岩堆积体中隧道洞口段稳定性的影响。结果表明：隧道在开挖过程中，左线隧道的竖向位移表现出拱肩>拱顶>拱底的分布规律，右线位移表现出拱底>拱顶>拱肩的分布规律;锚杆越长，锚杆的轴力就越大，对围岩的锚固效果就越好，对初支应力有一定的改善;拱顶受拉锚杆对拱顶的沉降有小幅的改善，但是边墙处受压，锚杆则对洞周水平收敛没有帮助。

关键词：散岩堆积体;锚杆长度;围岩稳定性;数值模拟

中图分类号：U453.1文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.037

文章编号：1673-4874（2021）01-0135-04

0引言

隧道可以很好地避免盘山公路带来的公路曲折迂回、多弯道以及破坏自然环境等问题。近几年随着国家加大对基础交通建设的投入，工程地质环境也越来越复杂，因此对隧道施工技术也有更高的要求。对于大变形和塌方现象，这是在松散堆积体地层中施工所经常遇见且难以避免的安全隐患，为此有必要针对在散岩堆积体地层条件下的隧道施工技术开展进一步的深入研究，从而为高速公路隧道的安全、快速施工提供重要保障。在山岭隧道的建设过程中，如何维持散岩堆积体中隧道洞口段的稳定性便成了一个亟待解决的重大问题。

隧道工程施工多采取新奥法，其中初期支护工程的施作质量是新奥法施工的关键环节，初期支护施作时间尽量早封闭与围岩共同组成承重环体系。王悦等[1]介绍了隧道工程支护的类型及作用，主要对锚杆施工、钢架及大拱脚架施工、超前小导管施工、喷射混凝土施工的现状进行了分析，探讨了各项施工技术应注意的问题与要点，为同类工程施工积累了经验。崔博[2]以火烧庵隧道为工程背景，通过与大管棚做对比，将自进式锚杆注浆技术成功运用于塌方体，阐述了该方法在隧道不良地质段落中的应用，以及自进式锚杆注浆作为塌方处理的一种工法的优点。李善英[3]在通过分析某公路隧道穿越软岩破碎带时发生大变形原因的基础上总结出了软岩大变形防治措施，优化了支护参数，取得了良好的效果。赵鹏[4]基于狮子岭隧道开展了有限元分析，提出了一种对尚未发生结构性破坏区段采取“锚注一体化”并施加预应力的加固方案。刘勇[5]采用“锚杆锚索加固、注浆加固、引导排水、加强监测”的综合方案对隧道隆起病害段开展整治，可供散岩堆积体稳定性工程参考。马云长等人[6]以结构面的岩质边坡为例，采用ANSYS软件进行建模与网格划分，研究了岩质边坡坡率与滑动面倾角对锚杆效果的影响。王晓卿[7]开展了对拉锚杆索阻止结构面剪切滑移的数值试验，研究了对拉锚杆索在原岩应力条件下对结构面剪切滑移的加固效果。封永梅[8]根据锚杆加固作用机制，分析了锚杆对岩土层间抗剪强度加固效果，获取锚杆处于压缩- 剪切或拉伸-剪切综合作用下的屈服强度以及全部锚杆抗剪强度，对岩土高陡边坡锚杆加固稳定性和抗倾覆安全系数进行了分析。

由此可以看出，对于隧道的稳定性问题，不外乎为控制初支厚度、钢拱架间距、锚杆长度、二次衬砌厚度等措施。在目前国内外对散岩堆积体中特大断面公路隧道洞口段施工技术研究还不充分的情况下，如何采取有效措施确保隧道进洞施工安全成了亟待解决的问题。因此，在前人工作的基础上，针对松散堆积体地层，本文通过有限差分法研究了锚杆长度对散岩堆积体中隧道洞口段稳定性的影响，从而为高速公路隧道的安全、快速施工提供重要保障。

1工程概况

1.1工程簡介

火凤山隧道穿越素填土区域，主要由粉质黏土和碎、块石组成，有少量植物根系，碎石含量为15%～50%，粒径一般为0.2～50cm不等，母岩成分主要为泥岩、砂岩，是由附近施工工地的施工弃土就近堆填所形成，上部填土厚达21.1～33.2m，压缩性大。原始斜坡地形总体向南东倾斜，地形坡角为32°，坡向约为144°。隧道位于土质边坡中部，斜坡高8～12.5m，现状处于基本稳定状态，暴雨工况下易沿原填土界面或填土内部产生圆弧滑动，隧道的开挖可能诱发土质边坡失稳。ZK2+960-ZK3+110、YK2+520-YK2+655为隧道进口段，洞口自稳能力较差，支护困难。

1.2工程地质条件

本项目所依托工程火凤山隧道场地内地形地貌较复杂，水文地质和地质构造较简单。区内上覆第四系松散堆积层块石，厚5～20m，松散至中密，现状稳定。场地地震烈度为VIII度，地震动峰值加速度为0.30g，地震反应谱特征周期为0.40，区域新构造运动强烈，地壳抬升明显，属抗震不利地段，有地震引起岩堆局部失稳或表层松动的可能，同时对危岩的稳定性也存在不利影响。隧道进口大面积覆盖第四系崩坡积层块石，厚度变化大，自然坡度约为38°～45°，坡面植被较发育，多为灌木和杂草组成，石质成分为花岗岩，局部粉黏粒和砂土富集，大多呈松散至稍密状，骨架多具架空现象。坡面总体向喇嘛嘴沟沟体方向倾斜，倾向约为348°～355°。该岩堆目前处于稳定状态，不存在变形破坏迹象，但该区地震基本烈度为VIII度，地震活动频繁。隧道开挖后，拱部围岩自稳能力差，自稳时间短，无支护或支护不到位时，易产生掉块或较大的坍塌等事故，局部段易冒顶，且易造成岩堆失稳，在洞口段施工过程中，极易发生安全事故，风险性极大。

下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组（J₂s）泥岩夹砂岩，强风化层厚0.80～3.70m。强风化层岩体较破碎，中风化层岩体较完整。构造裂隙发育，层间结合一般，为软岩。岩层呈单斜状产出，岩层产状为27°∠8°。岩体中构造裂隙发育，主要可见2组产状：（1）12°∠51°、（2）342°∠20°。地下水主要为松散岩类孔隙水，该段线路填土分布面积大，地形平坦不易排泄，因此在雨季或受周围生活、施工排水影响会形成较多松散岩类孔隙水，对道路边坡稳定性影响大。沿线无滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象发育。

2数值模型分析

2.1数值模型的建立

本文本构模型采用摩尔-库伦模型，利用有限差分软件FLAC^3D进行三维数值分析。在模型建立时，考虑隧道开挖对周边围岩的扰动，因此，建模时山体范围沿隧道纵向取150m，鉴于围岩影响范围，模型宽度为隧道中轴线向边侧取50m，模型顶部为自然表面，模型下边界从隧道底部延伸至以下35m处。

模型网格划分如图1所示，模型上边界为自由面（z轴向上为正），而底面为竖向约束，隧道开挖方向为y轴正方向，模型的四周围岩外边界面为垂直围岩面的法向约束。

2.2材料参数的选取

按照弹塑性理论来考虑隧道围岩情况，岩体的物理参数主要是依靠土工试验来进行确定。实际工程中常用管棚法及小导管锚杆精心超前加固，而在数值模拟过程中为模拟加固区。通常采用的方法是提高围岩材料参数，参数的取值有时还得根据以往的经验资料或者依靠经验类比的方法来进行确定，具体计算参数如表1所示。

2.3锚杆加固作用

锚杆是公路隧道主要的锚固方法之一，可以主动加固岩土体，控制围岩的变形，防止出现坍落和掌子面坍塌的现象。锚杆的主要作用效果如下：

（1）悬吊作用

将不稳定的岩体固定悬吊在深处坚固稳定的岩层上，使其不致于掉落或者滑落。

（2）组合梁、板作用

对于水平成层围岩，当有锚杆张拉时，由于增大了层面间的摩擦，则可以承受剪力，呈整体性的组合梁工作状态。

（3）加强作用

對有节理、裂缝等力学不连续面的地层打进锚杆，可使松动区节理裂隙、破裂面等得以联结，从而增大加固区围岩的强度（即e、φ值）。

（4）支承围岩

锚杆受压使开挖后处于二维应力状态的附近围岩呈三轴应力状态，使得隧道壁面承受切向应力的能力增大，从而呈现出很好的稳定状态。

3计算结果及分析

对于火凤山隧道洞口段的岩堆体地层，锚杆的作用主要体现在加强和支撑围岩作用，将松散的堆积体联结成整体性较好的围岩，以对岩体特性进行增强和改善。锚杆的长度和锚杆的间距属于锚杆的关键性参数，本小节将对不同锚杆长度的开挖工况进行比较，主要分析锚杆长度为3m、4m和5m三种工况下隧道洞室的位移和锚杆自身内力，以判断火凤山隧道大块径岩堆体地层最适宜的锚杆长度。

3.1锚杆长度为3m时的结果分析

锚杆长度为3m时，隧道拱顶产生较大沉降，隧道拱底产生较大隆起，隧道竖向位移收敛，在开挖完成30m断面处，左线隧道拱顶沉降最大值达到了25.23mm，拱肩沉降最大值达到了28.36mm，隧道底部隆起最大值达到了15.01mm。右线隧道拱顶沉降最大值达到了18.15mm，拱肩沉降最大值达到了12.91mm，隧道底部隆起最大值达到了20.95mm。在开挖完成60m断面处，左线隧道拱顶沉降最大值达到了3.42mm，拱肩沉降最大值达到了39.74mm，隧道底部隆起最大值达到了12.69mm。右线隧道拱顶沉降最大值达到了14.52mm，拱肩沉降最大值达到了12.98mm。隧道底部隆起最大值达到了20.08mm。隧道左线位移主要呈现出拱脚>拱腰>拱肩的分布规律;隧道右线位移表现出拱底>拱顶>拱肩的分布规律。

随着开挖的进行，隧道埋深逐渐增加，锚杆的轴力也逐渐增大，锚杆轴力的受压最大值均出现在隧道拱顶位置，锚杆轴力的受拉最大值均出现在隧道边墙位置。开挖到30m时，左线隧道锚杆轴力受压最大值达到10.51kN，受拉最大值达到4.65kN;右线隧道锚杆轴力受压最大值达到12.24kN，受拉最大值达到5.72kN。开挖到60m时，左线隧道锚杆轴力受压最大值达到16.66kN，受拉最大值达到5.64kN;右线隧道锚杆轴力最大值达到16.88kN，受拉最大值达到7.68kN。

3.2锚杆长度为4m时的结果分析

锚杆长度为4m时隧道拱顶产生较大沉降，隧道拱底产生较大隆起，洞周位移收敛。在开挖完成30m断面处，左线隧道拱顶沉降最大值达到了24.63mm，拱肩沉降最大值达到了28.64mm，隧道底部隆起最大值达到了14.32mm。右线隧道拱顶沉降最大值达到了17.68mm，拱肩沉降最大值达到了12.31mm，隧道底部隆起最大值达到了20.25mm。在开挖完成60m断面处，左线隧道拱顶沉降最大值达到了31.02mm，拱肩沉降最大值达到了39.21mm，隧道底部隆起最大值达到了12.14mm。右线隧道拱顶沉降最大值达到了14.69mm，拱肩沉降最大值达到了12.36mm，隧道底部隆起最大值达到了19.35mm。隧道左线位移主要呈现出拱脚>拱腰>拱肩的分布规律;隧道右线位移表现出拱底>拱顶>拱肩的分布规律。围岩变形在可控制的范围内，且围岩变形是收敛的，可以正常进行施工。

随着开挖的进行，隧道埋深逐渐增加，锚杆的轴力也逐渐增大，锚杆轴力的受压最大值均出现在隧道拱顶位置，锚杆轴力的受拉最大值均出现在隧道边墙位置。开挖到30m时，左线隧道锚杆轴力受压最大值达到14.61kN，受拉最大值达到7.04kN;右线隧道锚杆轴力受压最大值达到14.88kN，受拉最大值达到9.19kN。开挖到60m时，左线隧道锚杆轴力受压最大值达到22.98kN，受拉最大值达到7.59kN;右线隧道锚杆轴力最大值达到2.5kN，受拉最大值达到8.60kN。

3.3锚杆长度为5m时的结果分析

锚杆长度为5m时隧道拱顶产生较大沉降，隧道拱底产生较大隆起，隧道竖向位移收敛。在开挖完成30m断面处，左线隧道拱顶沉降最大值达到了24.25mm，拱肩沉降最大值达到了28.37mm，隧道底部隆起最大值达到了1.18mm。右线隧道拱顶沉降最大值达到了17.46mm，拱肩沉降最大值达到了12.14mm，隧道底部隆起最大值达到了20.07mm。在开挖完成60m断面处，左线隧道拱顶沉降最大值达到了30.01mm，拱肩沉降最大值达到了38.26mm，隧道底部隆起最大值达到了11.76mm。右线隧道拱顶沉降最大值达到了14.21mm，拱肩沉降最大值达到了11.98mm，隧道底部隆起最大值达到了18.56mm。隧道左线位移主要呈现出拱脚>拱腰>拱肩的分布规律;隧道右线位移表现出拱底>拱顶>拱肩的分布规律。围岩变形在可控制的范围内，且围岩变形是收敛的，可以正常进行施工。

随着开挖的进行，隧道埋深逐渐增加，锚杆的轴力也逐渐增大，锚杆轴力的受压最大值均出现在隧道拱顶位置，锚杆轴力的受拉最大值均出现在隧道边墙位置。开挖到30m时，左线隧道锚杆轴力受压最大值达到18.23kN，受拉最大值达到9.12kN;右线隧道锚杆轴力受压最大值达到15.37kN，受拉最大值达到12.18kN。开挖到60m时，左线隧道锚杆轴力受压最大值达到26.78kN，受拉最大值达到9.14kN;右线隧道锚杆轴力最大值达到24.05kN，受拉最大值达到9.28kN。

4结语

本文通过数值分析的方法，模拟3种不同的工况，计算和分析了在散巖堆积体中施工时隧道的竖向位移以及锚杆的受力特性，得到了如下结论：

（1）隧道在开挖过程中，左线隧道的竖向位移表现出拱肩，拱顶，拱底的分布规律;右线隧道位移表现出拱底，拱顶，拱肩的分布规律。

（2）锚杆越长，所受轴力也就越大，从而对围岩的锚固效果就越好，对初支应力有一定的改善，并且由于拱顶打入的锚杆受拉力作用，能够限制围岩变形，因此拱顶的沉降有所改善。但是边墙处打入的锚杆受压，因此对洞周围岩水平收敛没有帮助。

（3）锚杆的轴力很小，甚至局部受压，对初支的应力改善有限，在0.3MPa左右波动，对拱顶沉降的改善在2～3cm内，对水平收敛则无甚效果。

参考文献

[1]王悦，粟兵，王清江.隧道开挖支护施工现状分析及研究[J].山西建筑，2014，40（31）：183-184.

[2]崔博.自进式锚杆在隧道不良地质段施工中的应用[J].山西交通科技，2014（6）：71-73，76.

[3]李善英.隧道软岩大变形处治与控制方法探讨[J].科技与企业，2014（4）：190-192.

[4]赵鹏，付兵先，马伟斌.狮子岭隧道病害成因分析与整治措施[J].铁道建筑，2017，57（9）：71-73.

[5]刘勇，伏坤，王珣，等.某铁路隧道隆起病害整治及自动监测成果分析[J].铁道标准设计，2020，64（6）：112-116，125.

[6]马云长，苏培东，邱鹏，等.岩质边坡坡率与滑动面倾角对锚固效果的影响[J].长江科学院院报，2020，37（4）：104-108.