摘要：文章依托某在建隧道工程，基于三維數(shù)值模型計(jì)算分析了不同錨桿長(zhǎng)度、間距及布置范圍下圍巖變形及初期支護(hù)的力學(xué)響應(yīng)特征，提出了水平巖層隧道中錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化建議，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：（1）在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)加長(zhǎng)錨桿對(duì)控制水平巖層隧道圍巖收斂與減小初期支護(hù)應(yīng)力有一定作用；（2）錨桿間距對(duì)控制水平巖層隧道圍巖變形與改善初期支護(hù)受力作用有限，過(guò)于加密錨桿間距會(huì)造成不必要浪費(fèi)；（3）水平構(gòu)造巖層中隧道錨桿布設(shè)角度宜設(shè)置在180°～150°，可以適當(dāng)取消拱腳位置錨桿以節(jié)省造價(jià)。

關(guān)鍵詞：水平巖層；隧道；錨桿；設(shè)計(jì)參數(shù)；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U455.7+1

0 引言

巖層的構(gòu)造對(duì)隧道施工有著較大影響，隧道建設(shè)中常遇到水平構(gòu)造巖層，其層間膠結(jié)力弱及層面結(jié)合相對(duì)較差，更甚者出現(xiàn)層間錯(cuò)動(dòng)面。由于水平巖層特殊的層狀結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)面的影響下其力學(xué)特性呈現(xiàn)明顯的各向異性，在水平巖層中開挖隧道，易出現(xiàn)隧道拱頂離層、掉塊、局部超挖、初期支護(hù)開裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅隧道施工安全［1-3］。

目前不少學(xué)者針對(duì)水平巖層中的隧道施工進(jìn)行了相關(guān)研究，苑俊廷［4］依托某鐵路隧道，通過(guò)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了其初期支護(hù)參數(shù)的合理性；陳能力等［5］基于數(shù)值模擬研究了水平巖層厚度和施工方法對(duì)隧道圍巖力學(xué)行為的影響規(guī)律；葉來(lái)賓等［6］通過(guò)研究高地應(yīng)力下水平巖層隧道掌子面塌方機(jī)理，提出了相應(yīng)控制措施；王亞瓊等［7］采用離散元研究了水平巖層隧道中圍巖變形的破壞特征，得到了圍巖位移速率與巖層厚度相關(guān)規(guī)律。

現(xiàn)有大部分研究主要集中在水平巖層隧道開挖時(shí)的圍巖力學(xué)響應(yīng)或破壞特征方面，而國(guó)內(nèi)對(duì)水平巖層隧道設(shè)計(jì)參數(shù)更多依靠工程類比，現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003-2016）與《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》（JTG 33701-2018）中也缺少對(duì)在水平緩傾角巖層中修建隧道的特別說(shuō)明。因此，有必要展開針對(duì)水平巖層隧道的相關(guān)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究。隧道錨噴支護(hù)中的系統(tǒng)錨桿對(duì)水平巖層起到較好的懸吊約束作用，在控制水平巖層隧道的圍巖變形方面作用明顯，因此本文依托某在建工程，通過(guò)研究不同錨桿長(zhǎng)度、設(shè)置間距及布置范圍下圍巖變形及初期支護(hù)的力學(xué)響應(yīng)特征，提出了水平巖層中隧道錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化建議，以期為類似工程的錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)選取提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程及水文地質(zhì)

依托工程為某雙向四車道高速公路隧道，設(shè)計(jì)速度100 km/h，其中右線長(zhǎng)1 735 m，左線長(zhǎng)1 751 m，隧道縱面為單向坡縱坡為1.5%，開挖跨度為13.75 m。隧址區(qū)屬剝蝕低山地貌區(qū)，地形坡度10°～40°，地形起伏較大，局部山體較陡。地表覆蓋層為殘坡積層，下伏基巖為三疊系扶隆組強(qiáng)-中風(fēng)化粉砂巖，開挖揭示圍巖呈薄-中厚層狀構(gòu)造，局部為互層或夾層狀，整體呈水平層理或近水平層理，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，層間膠結(jié)程度較弱。隧址區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，主要賦存于強(qiáng)-中風(fēng)化基巖裂隙中，地層富水性較好，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，通過(guò)構(gòu)造裂隙、層間裂隙和風(fēng)化裂隙徑流，在地形切割低洼處以散流、泉的形式排出地表，匯集成溝溪，一般泉水多為季節(jié)泉，枯水季節(jié)干涸。

1.2 隧道支護(hù)參數(shù)

選取依托隧道Ⅳ-B圍巖段作為研究對(duì)象，其襯砌斷面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1，相關(guān)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)：二襯為厚度45 cm的C35鋼筋混凝土，初期支護(hù)采用間距80 cm的16工字鋼，噴射25 cm厚C25混凝土，系統(tǒng)錨桿采用長(zhǎng)度為300 cm的22 mm中空注漿錨桿，錨桿布置間距80 cm×80 cm，鋼筋網(wǎng)采用間距為20 cm×20 cm的8 mm鋼筋，超前支護(hù)為42 mm×4 mm超前小導(dǎo)管，長(zhǎng)度為450 cm，環(huán)距50 cm縱距320 cm，初期支護(hù)與二次襯砌間設(shè)置12 cm預(yù)留變形量。

2 數(shù)值計(jì)算模型

使用有限元軟件Midas-gts/NX建立依托工程的地層-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，隧道上覆巖土體分別為殘積土層、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖與中風(fēng)化粉砂巖，相關(guān)參數(shù)與計(jì)算模型如表1、圖2所示。計(jì)算模型選取隧道右線K54+360～ K54+460段落，隧道埋深約40 m，為減少隧道開挖帶來(lái)的邊界效應(yīng)帶來(lái)的誤差，選取地層模型范圍為120 m×120 m×90 m（長(zhǎng)×寬×高），圍巖采用實(shí)體單元，錨桿采用植入式桁架單元，初期支護(hù)與二次襯砌采用板單元。計(jì)算模型四周設(shè)置水平方向約束，允許發(fā)生豎向的位移，模型底面設(shè)置為固定約束以限制底面位移。

3 錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

3.1 錨桿長(zhǎng)度

在水平巖層中修筑隧道時(shí)，隧道錨桿的設(shè)置長(zhǎng)度為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一，為了研究不同錨桿長(zhǎng)度在水平巖層隧道開挖中對(duì)圍巖變形與初期支護(hù)力學(xué)響應(yīng)的影響，基于三維地層-結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算模型，將隧道錨桿長(zhǎng)度為設(shè)置為單一變量，分別就錨桿長(zhǎng)度為2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m六種不同工況下進(jìn)行模擬分析，計(jì)算結(jié)果如圖3～4所示。由圖可知：（1）隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，隧道圍巖收斂逐漸減小，錨桿長(zhǎng)度超過(guò)4.5 m后，圍巖收斂速率明顯減慢；（2）初期支護(hù)最大應(yīng)力隨著錨桿長(zhǎng)度增長(zhǎng)而相應(yīng)減小，說(shuō)明增加錨桿長(zhǎng)度對(duì)初期支護(hù)受力有一定改善；（3）相較減少初期支護(hù)最大應(yīng)力，錨桿長(zhǎng)度的增加對(duì)控制圍巖收斂作用更加明顯。因此將依托工程的隧道錨桿長(zhǎng)度優(yōu)化調(diào)整為4.5 m。

3.2 錨桿間距

為研究錨桿間距在水平巖層隧道開挖中對(duì)圍巖變形與初期支護(hù)力學(xué)響應(yīng)的影響，設(shè)置錨桿間距為單一變量，分別就錨桿間距為25 cm、50 cm、80 cm、100 cm、120 cm五種不同工況下進(jìn)行模擬分析，計(jì)算結(jié)果如圖5～6所示。由圖可知：（1）隨著錨桿間距的減小，圍巖收斂有減少趨勢(shì)，但縮小錨桿間距對(duì)控制隧道圍巖收斂影響有限；（2）初期支護(hù)隨著錨桿間距的增大，其最大應(yīng)力有增大趨勢(shì)，但變化不太明顯。由此得出錨桿間距對(duì)控制水平構(gòu)造巖層隧道圍巖變形與改善初期支護(hù)受力作用有限，因此考慮到節(jié)約造價(jià)，可適當(dāng)加大錨桿間距，因此將依托工程的隧道錨桿間距優(yōu)化調(diào)整為100 cm。

3.3 錨桿布設(shè)角度

隧道的系統(tǒng)錨桿對(duì)水平巖層起到較好的懸吊約束作用，因此隧道拱圈錨桿的布設(shè)角度對(duì)其功能發(fā)揮十分重要。為了優(yōu)化錨桿布設(shè)角度，將其設(shè)置為單一變量，分別在210°、180°、150°、120°、90°五種不同工況（如圖7所示）下進(jìn)行模擬分析，計(jì)算結(jié)果如圖8～9所示。由圖可知：（1）隨著錨桿布設(shè)角度逐步增大，隧道圍巖收斂與初期支護(hù)應(yīng)力數(shù)值呈減小趨勢(shì)，但錨桿布設(shè)角度＞180°后，隧道圍巖收斂與初期支護(hù)最大應(yīng)力數(shù)值變化趨于穩(wěn)定；（2）錨桿布設(shè)角度分別為210°、180°時(shí)，隧道圍巖收斂與初支應(yīng)力數(shù)值較為接近，表示拱腳處錨桿對(duì)控制隧道變形與改善初期支護(hù)受力作用有限。因此建議將依托工程中隧道錨桿布設(shè)角度優(yōu)化為150°～180°，適當(dāng)取消拱腳位置錨桿以節(jié)省造價(jià)。

4 數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比

通過(guò)以上的參數(shù)優(yōu)化，依托工程隧道的系統(tǒng)錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2，為驗(yàn)證本次數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，提取錨桿參數(shù)優(yōu)化后的初期支護(hù)位移云圖如圖10～11所示，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比可得：隧道拱頂下沉最終監(jiān)測(cè)值為16.1 mm，數(shù)值計(jì)算最終結(jié)果為12.1 mm，周邊收斂最終監(jiān)測(cè)為11.6 mm，數(shù)值計(jì)算最終結(jié)果為8.4 mm，由于施工震動(dòng)、測(cè)量誤差等其他原因，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值略大于數(shù)值計(jì)算結(jié)果，但差異較小。結(jié)果表明本次計(jì)算較為準(zhǔn)確地完成了水平巖層中的隧道施工力學(xué)的動(dòng)態(tài)模擬，成功驗(yàn)證了本次數(shù)值計(jì)算模型的可靠性，相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果具備一定的參考價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托某在建工程建立了三維地層-結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算模型，為了對(duì)水平巖層隧道的錨桿進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，開展了多工況下的數(shù)值分析計(jì)算，就錨桿長(zhǎng)度、間距和布置角度范圍等進(jìn)行了優(yōu)化分析，最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本次數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，得到以下結(jié)論：

（1）在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)加長(zhǎng)錨桿對(duì)控制水平巖層隧道圍巖變形與減小初期支護(hù)應(yīng)力有一定作用。

（2）錨桿間距對(duì)控制水平巖層隧道圍巖變形與改善初期支護(hù)受力作用有限，過(guò)于加密錨桿間距會(huì)造成不必要浪費(fèi)。

（3）水平構(gòu)造巖層中隧道錨桿布設(shè)角度宜設(shè)置為180°～150°，可以適當(dāng)取消拱腳位置錨桿以節(jié)省造價(jià)。

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收稿日期：2024-03-08

作者簡(jiǎn)介：陳嘉臻（1990—），工程師，主要從事高速公路建設(shè)工程管理工作。