王 博,梅 峰
(1.寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 銀川市 750021; 2.中鐵十二局二公司 太原市 030032)
試驗(yàn)項(xiàng)目為內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市島寶溝隧道,該隧道全長4905m,埋深約為127m,其中Ⅲ級圍巖長度為725m,Ⅳ級圍巖長度為2966m,Ⅴ級圍巖長度為1214m。隧道巖體節(jié)理發(fā)育明顯、圍巖破碎,有失穩(wěn)坍塌風(fēng)險(xiǎn)的地段較多;洞身部分地段的泥巖受水的影響,隧道部分段落處于軟巖大變形地層中,易發(fā)生軟化變形。所以必須采用有效的支護(hù)手段防止圍巖塌方、控制圍巖變形,根據(jù)圍巖飽和壓縮試驗(yàn),得到巖體物理力學(xué)指標(biāo),如表1所示。
表1 物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果表
本隧道支護(hù)設(shè)計(jì)采用自穩(wěn)隱形拱錨桿支護(hù)理論。該理論認(rèn)為隧道圍巖具有自承自穩(wěn)能力,影響隧道圍巖穩(wěn)定的主要因素是圍巖體中存有拉應(yīng)力的巖塊。錨桿對隧道圍巖的支護(hù)就是在圍巖達(dá)到相對自穩(wěn)過程中的變形維護(hù)。
如果隧道圍巖不能得到有效支護(hù)控制,圍巖的變形會持續(xù)增大,而存有拉應(yīng)力的巖塊最終將發(fā)生墜落和坍塌。錨桿支護(hù)就是縮小圍巖不穩(wěn)定區(qū)域的范圍,同時(shí)使隧道邊墻變成類剛性結(jié)構(gòu),自穩(wěn)隱形拱理論要求錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中錨桿必須深入圍巖自穩(wěn)500mm。
根據(jù)西安科技大學(xué)惠興田教授計(jì)算得出隧道頂板自穩(wěn)區(qū)域曲線基本方程為:
式中,W0—巷道頂部寬度,m;
p0—巷道頂部垂直地壓,MPa;
σ2—頂板巖體的抗拉強(qiáng)度,MPa。
施工中,為保證自穩(wěn)區(qū)內(nèi)圍巖承載能力的提升,要求錨桿與圍巖間具有較強(qiáng)的錨固力,防止開挖后圍巖塑性區(qū)的擴(kuò)展,錨桿應(yīng)能夠滿足及時(shí)承載的要求。常規(guī)錨桿施工支護(hù)作用較小,無法有效承載,因此本項(xiàng)目所提出的自旋錨管技術(shù)對自穩(wěn)隱形拱理論在軟巖隧道圍巖的變形控制中有著重要的意義。
自旋錨管成套技術(shù)是一種新型公路圍巖支護(hù)技術(shù),它主要應(yīng)用到破碎圍巖隧道、復(fù)雜公路邊坡等支護(hù)工程,采用摩擦阻力錨固的理念設(shè)計(jì),顛覆了傳統(tǒng)錨桿單一的支護(hù)工作理念,省掉了繁瑣工作程序,將鉆研藥卷攪拌、注漿、噴漿、支護(hù)等工作一次性到位,可以有效地完成工作,加快施工速率。
自旋錨管不同于傳統(tǒng)螺旋錨桿的大錨葉設(shè)計(jì),錨管設(shè)計(jì)是以小旋絲沿桿身連續(xù)分布,桿體為中空結(jié)構(gòu),前端為鉆眼裝置的一種新型隧道支護(hù)體系,如圖1、圖2所示。
圖1 自旋錨管裝配結(jié)構(gòu)圖
圖2 自旋錨管截面結(jié)構(gòu)圖
自旋錨管結(jié)構(gòu)體全長錨固加強(qiáng)為設(shè)計(jì)理念,其截面抗彎模量可以有效控制巖體變形。這種全長錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其錨固強(qiáng)度超過錨索支護(hù),對圍巖的變形控制將大大提高。尤其是它不受托盤和預(yù)應(yīng)力的作用,只要安裝有效就能發(fā)揮作用。相比于同類型傳統(tǒng)錨桿支護(hù),自旋錨管的抗剪能力能提高5倍左右,而抗彎能力則能提高10倍左右。
在軟巖大變形隧道的支護(hù)中,砂漿錨桿和中空注漿錨桿是廣泛采用的錨桿形式,但此類型錨桿的主要缺陷在于注漿過程中漿液的飽和度較差,影響注漿效果,如采用自旋錨管恰好能有效克服這種缺陷。自旋錨管安裝示意圖見圖3。
(1)自旋錨管通過增大旋絲外徑可以讓錨管深入巖體中形成多點(diǎn)接觸產(chǎn)生摩擦,使自旋錨管產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)力作用在旋絲之間的管體上,增大了摩擦錨固力。
(2)自旋錨管旋絲的傾角由傳統(tǒng)螺旋錨桿的90°改為60°,能夠合二為一更好地配合鉆頭深入巖層中。在注漿的過程中可以邊鉆邊注漿,使?jié){液順著旋絲往出流,能夠更好地排出漿液中的氣泡,因此能達(dá)到有效的飽和度,使其具有更好的錨固性。
(a)鉆孔
(b)旋絲刻入
(c)安裝托盤螺母
(d)注漿
(e)初錨力形成圖3 自旋錨管安裝示意圖
根據(jù)項(xiàng)目隧道圍巖的物理力學(xué)性質(zhì),進(jìn)行FLAC有限差分?jǐn)?shù)值模擬,圍巖采用理想彈塑性材料,本構(gòu)模型采用摩爾庫倫模型,進(jìn)行非線性計(jì)算,對支護(hù)形式采取兩種不同工況進(jìn)行對比分析。工況一采用普通錨桿支護(hù),工況二采用自旋錨管支護(hù)。
工況一普通錨桿支護(hù)采用長度為 400cm,直徑 Φ22,排距0.7m,縱向間距為1m,梅花形布置,
工況二自旋錨管支護(hù)采 用52mm×4mm 自旋錨管(L=4.5m) 進(jìn)行注漿加固。注漿采用1∶1水泥漿液,自旋錨管排距0.7m,縱向間距為1m,梅花形布置。模擬結(jié)果見圖4、圖5。
圖4 普通錨桿支護(hù)位移云圖
圖5 自旋錨管支護(hù)位移云圖
由數(shù)值模擬結(jié)果可知,與普通錨桿支護(hù)相比,自旋錨管支護(hù)模擬過程中,隧道變形位移量明顯減小,最大的位移變形值不超過75mm,同時(shí)圍巖塑性變形區(qū)范圍也在減小,模擬變形數(shù)據(jù)滿足安全施工要求,顯示了良好的支護(hù)效果,可用于試驗(yàn)段施工。
針對大變形巷道的基本特點(diǎn),根據(jù)自穩(wěn)隱形拱支護(hù)設(shè)計(jì)原理,在部分試驗(yàn)段采用自旋錨管支護(hù)技術(shù)進(jìn)行圍巖支護(hù)。選取兩個(gè)具有代表性的斷面進(jìn)行監(jiān)測,主要監(jiān)測項(xiàng)目有周邊收斂、基底隆起、拱頂下沉,隧道各測點(diǎn)監(jiān)測作業(yè)均應(yīng)持續(xù)到變形基本穩(wěn)定后2~3周結(jié)束。監(jiān)測曲線如圖6、圖7所示。
圖6 測點(diǎn)1變形監(jiān)測數(shù)據(jù)
圖7 測點(diǎn)2變形監(jiān)測數(shù)據(jù)
(1)隧道在施工開挖后15d內(nèi),隧道變形位移速率增長較快,特別是基底隆起速率最大達(dá)到了25mm/d,隨后各位移變形曲線逐漸趨于平緩。
(2)在監(jiān)測期間內(nèi)隧道拱頂變形量最大值為48mm,周邊收斂變形量最大值為307mm,基底隆起最大值為152mm,均在預(yù)定可控范圍內(nèi),同時(shí),兩個(gè)測點(diǎn)同類型監(jiān)測曲線形狀大致相似,斜率及斜率變化點(diǎn)基本相似,說明采用自旋錨管技術(shù)對隧道的變形控制達(dá)到了預(yù)期效果。
(1)自旋錨管支護(hù)技術(shù)相比于普通錨桿支護(hù),因本身較大的截面抗彎模量,同時(shí)通過增大旋絲外徑使錨管深入巖體中形成多點(diǎn)接觸,因而能夠很好地控制圍巖變形,增大了支護(hù)錨固力。
(2)自旋錨管在施工注漿的過程中可以邊鉆進(jìn)邊注漿,使?jié){液順著旋絲往出流,能夠更好地排出漿液中的氣泡,達(dá)到更有效的錨固飽和度。
(3)基于自穩(wěn)隱形拱理論進(jìn)行的自旋錨管支護(hù)技術(shù)在試驗(yàn)段監(jiān)測中隧道拱頂變形量最大值為48mm,周邊收斂變形量最大值為307mm,基底隆起最大值為152mm,驗(yàn)證了該支護(hù)技術(shù)的可行性。