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对称型节理发育岩体隧道锚喷支护形式分析

作者:杨忠峰,郭吉平,朱文轩  发布:2017/5/9  浏览:
单位:上海同岩土木工程科技股份有限公司,贵州路桥集团有限公司,贵州独平高速公路有限公司,同济大学土木工程学院地下建筑工程系

摘 要:针对近对称型节理发育的Ⅳ级围岩区段,建立二维离散元计算模型,分析公路隧道开挖时不同支护参数下围岩深部位移、锚杆轴力及初支内力的分布特征及变化规律,探究该类地质条件下锚喷支护的必要性,明确合理的支护形式及设计参数。分析表明:施作格栅拱架后,必须设置锁脚锚杆,以减小围岩受扰动程度,确保落底安全;设置锁脚锚杆后,再增设系统锚杆、局部锚杆,支护效果提升不明显,建议原设计方案优化为"喷射混凝土+格栅拱架+锁脚锚杆",现场监测数据验证了该方案的可行性。

0 引言

随着国家高速公路的建设,需要穿越山岭的路段也随之增多。而大部分岩体都是沉积形成具有层理,加上节理裂隙的存在[1] ,极大降低了隧道结构的稳定性,给隧道和高速公路的建设提出了严峻的挑战[2-3] 。

对于层状岩体隧道,郑颖人等[4] 通过模型试验研究了层状岩体的强度和变形特征;赵丽雪[5] 采用数值模拟手段研究了不同产状岩质隧道稳定性;王伟力[6] 探讨了节理间距对隧道围岩压力的影响,分析了不同节理间距下隧道围岩压力的分布规律。结合数值模拟和实际工程,有学者[7-8] 分析了节理对围岩的作用机理和隧道变形的影响。但是,上述研究多侧重于分析围岩压力与单一岩层、围岩等级等因素的关系,在节理裂隙描述和模拟上尚不够精细化,或者仅是进行简单的定性分析;同时不同节理产状下支护参数的适应性研究较少,导致锚喷支护设计参数存在较大的优化空间。此外,针对碎裂岩体中的隧道工程,布设系统锚杆是否起到明显的支护作用,业内存在一定的争议。

本文拟结合漂里隧道Ⅳ级围岩段实际节理形态,采用离散元程序 UDEC 模拟Ⅳ级岩体条件下不同锚喷支护参数对隧道围岩扰动和结构变形的影响,结合现场试验,提出该区段较为合理的支护设计参数,从而为类似工程支护参数的设计提供参考。

1 计算模型与参数取值

1. 1 计算模型

现场调研漂里隧道进口左线里程 ZK6 +918,隧道埋深 17. 1m。围岩以强风化灰岩为主,单块岩石抗压强度较高,围岩节理裂隙发育,呈中、薄层状或碎裂状,节理特征主要为剪节理,具有共轭特征,节理面张开宽度较大,综合评定为Ⅳ级对称型围岩。根据现场地质素描,借助统计分析,得知该区段围岩主要有 3 组优势节理,由节理产状得到设计方案下的计算模型如图 1 所示。

图 1   原设计方案下计算模型示意

1. 2 计算工况及参数取值

依据钻孔勘察资料、岩样试验结果、地质素描及设计规范[9] ,施工阶段揭露的围岩岩块弹性模量33GPa,泊松比 0. 23,节理面的法向刚度 16. 48GPa,剪切刚度 5. 39GPa; 喷射混凝土的弹性模量29. 5GPa,泊松比 0. 15。

对原设计方案进行锚杆优化设计,计算工况如表 1 所示。

表 1   锚杆优化计算工况

2 数值计算结果

2. 1 位移影响

隧道开挖必然引起周围围岩松弛,从而形成拱效应,即表现为围岩自承能力。研究围岩的扰动范围能了解隧道周边围岩的松动情况,为选用合理的初支体系、锚杆参数(长度、布设范围) 提供依据。不同锚杆支护条件下,隧道周围岩体扰动范围如图2 所示。

图 2  不同锚杆方案的Ⅳ级围岩变形

不同锚杆方案下,围岩扰动范围近似,隧道拱顶沉降量最大,从开挖隧道中部向两侧沉降量逐渐减小。对图 2 中隧道开挖扰动区面积进行统计分析,研究不同锚杆支护方案对围岩扰动区的影响,如图 3 所示。

图 3   不同锚杆方案下扰动范围分布特征

对比分析上述数据,可知:原设计方案(工况1),拱顶沉降、围岩扰动范围均为最小,安全系数最高;由系统锚杆逐渐降低为局部锚杆时(工况 2 ~4),拱顶最大沉降基本不变,而围岩扰动区范围增幅不足 3%;取消系统锚杆、仅设置锁脚锚杆时(工况 5),围岩扰动区范围增幅达到 14%;取消系统锚杆、仅设置格栅拱架时(工况 6),围岩扰动区范围大幅增加,且落底极不安全。

从围岩变形角度考虑,对于近对称节理发育的Ⅳ级区段,工况 4,5 的安全性可以满足隧道建设安全要求。

在块状及碎裂状岩体中,节理面的剪切滑移主要是由于节理面的剪切破坏引起的,减小节理面的剪切滑移,需要增大节理面的抗剪切强度,也就是增大节理面的内摩擦角和黏聚力,在施加了锚杆后,围岩扰动区有明显的减小,这说明在碎裂状岩体中,锚杆可以起到增大节理面内摩擦角和黏聚力的效果。

2. 2 锚杆轴力

理论上,对于相对破碎的Ⅳ级围岩,系统锚杆的主要作用是形成具有一定承载力的承载拱。锚杆支护是初期支护系统中重要环节,本次计算得到不同打设方案下锚杆轴力分布如图 4 所示。

图 4   围岩隧道锚杆轴力分布(单位:kN)

依图 4 数据分析,围岩施作于结构的荷载,主要由拱顶、拱腰部位的锚杆承担,最大轴力达 41kN,超过边墙、拱脚锚杆的 2 倍;随锚杆长度缩短、布设范围减小(工况 2 ~4),锚杆轴力出现一定程度的增加(5% ~15%),且单根锚杆轴力分布更为饱满,利用率提高,锚杆参数降低为仅拱顶 120°范围布设、长2. 5m 时,仍可满足安全性要求。

取消系统锚杆以 4 对锁脚锚杆(管)代替时,较同位置系统锚杆对比,上台阶处变化不大,而下台阶最大出现 50% 的增幅,为 42kN,仍可满足安全要求。

从锚杆受力角度,建议选取工况 4,5 的支护方案。

2. 3 初期支护轴力

不同锚杆方案条件下,初期支护轴力如图 5所示。

图 5  隧道初期支护轴力分布(单位:kN)

分析初期支护轴力分布特征可知,边墙、拱脚部位结构内力最大,且脚部可能存在应力集中现象,施工时对脚部进行加固;拱顶、仰拱部位截面轴力较小。

理论上,锚杆对于初期支护的受力起到“减压”作用,不是安全的控制因素,但计算表明,不同锚喷支护参数下,结构轴力峰值、分布差异相对较小,特别是采取局部锚杆时,轴力基本未变;即便取消系统锚杆,工况 5,6 的初支轴力峰值增幅最大为34kN,不足原方案的 5%,如表 2 所示。

表 2   不同锚杆方案围岩初期支护轴力峰值

综合围岩变形、锚杆轴力、初支结构轴力,从工程安全性、经济性角度考虑,选取工况 5(取消系统锚杆、设置锁脚锚杆)作为优化方案,并开展现场试验、监测工作。

3 现场科研监测数据分析

根据工程实际情况,选取罗汉坡隧道 YK4 +889断面按原设计支护方案进行支护,YK4 + 897 断面按优化后支护方案(喷射混凝土 + 格栅拱架 + 锁脚锚杆)进行支护,开展现场对比试验研究。图 6,7分别为优化前后的围岩压力、断面收敛数据。

图 6   围岩压力分布(单位:kPa)

图 7  断面变形曲线

取消系统锚杆,仅设置格栅拱架、锁脚锚杆、喷射混凝土支护时,拱部的围岩压力比原设计方案下降 10% ~30%,而拱脚部位围岩压力出现近 50% 的增幅;收敛变形方面,变形趋势基本一致,优化后最大收敛量为 9. 2mm,约为原支护方案下的 1. 7 倍。此外,现场观测表明(现隧道已修建完成,计划通车),采用优化方案后,优化区段未出现支护结构开裂、掉块、甚至坍塌现象。

总体上看,尽管优化支护方案下,结构受力、变形出现一定程度的增加,但其数据较小,在可接受范围内,表明前文提出的优化方案实际是可行的。

4 结语

针对修建于近对称型节理发育的Ⅳ级围岩公路隧道,本文通过室内数值仿真、现场试验手段,分析、探讨了不同锚杆支护参数下的结构受力、变形规律,提出类似地质条件下可取消系统锚杆、采用“喷射混凝土 + 拱架 + 锁脚锚杆”支护的观点。主要结论如下。

1)施作格栅拱架后,锚杆长度、布设范围分别由 3. 0m、拱部 200. 2°缩减为 2. 5m、拱部 120°范围时,围岩扰动、结构变形、内力分布特征、数值基本不变,原设计方案安全富裕程度高,需进行优化。

2)取消系统锚杆、设置锁脚锚杆时,围岩扰动、结构变形及内力分布特征与原设计方案一致,但各自数值出现 5% ~ 15% 的增加;确保施工质量前提下,“喷射混凝土 + 格栅拱架 + 锁脚锚杆”支护效果与“喷射混凝土 + 格栅拱架 + 拱部 120°锚杆”方案相当,建议取消系统锚杆、增设锁脚锚杆,现场监测数据侧面验证了优化方案的可行性。

3)后续研究过程中,应增加施工工法(全断面法改变为台阶法)、工艺(落底、进尺控制)及围岩岩性等参数的考虑,形成体系,提高研究成果的适用性。

摘自《施工技术》
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