李 躍
(保定市保通公路勘測設(shè)計有限責(zé)任公司 保定市 071000)
傳統(tǒng)的被動支護很難解決高應(yīng)力軟巖隧道存在的變形嚴重問題,將預(yù)應(yīng)力錨索支護技術(shù)運用到高應(yīng)力軟巖隧道中就能很好解決這個問題。許多研究學(xué)者對此進行了大量的研究,尤春安[1]從現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬、模型計算、理論知識運用等多方面分析錨固系統(tǒng)的受力特點,提出了錨固體的滑移力。
在現(xiàn)有的研究成果基礎(chǔ)上,基于實際的工程案例結(jié)合相關(guān)理論,對高應(yīng)力軟巖隧道預(yù)應(yīng)力錨索支護的設(shè)計進行數(shù)值模擬分析,探究錨索支護在高應(yīng)力軟巖隧道中的適用性和有效性,希望能對高應(yīng)力軟巖隧道預(yù)應(yīng)力錨索支護的設(shè)計提供參考價值。
為了使單一支護個體的潛在優(yōu)勢被充分挖掘出來,改變原來傳統(tǒng)的被動支護,實現(xiàn)1+1>2的聯(lián)合支護效果[2],就需要將兩種或者兩種以上的支護個體有目的的聯(lián)合起來,表現(xiàn)出更好的效果以此來使被支護的結(jié)構(gòu)更加安全穩(wěn)定。
雖然錨索能夠在巖體的較深處進行加固穩(wěn)定,提高主動支護的效果,但是在高應(yīng)力軟巖隧道中進行支護時,效果不明顯,究其原因主要是支護體和圍巖不能形成有效的耦合。軟巖隧道的耦合支護主要有剛度耦合、強度耦合和結(jié)構(gòu)耦合。
(1)剛度耦合
支護體的剛度和巖體收到破壞變形時的剛度具有一定的相互關(guān)系。巖體的支護結(jié)構(gòu)不僅要有很好的變形力,能夠把巖體的變形能合理緩沖吸收,還要使錨索作用力和圍巖的變形相適應(yīng)。從而保證支護結(jié)構(gòu)和巖體的安全和穩(wěn)定[3]。
(2)強度耦合
錨桿的被動支護很難有效釋放來自高應(yīng)力軟巖隧道受到擾動產(chǎn)生的變性能,所以,需要采取強度耦合的支護方法來保護錨索,同時錨索自身的結(jié)構(gòu)強度也能對巖體的抗變形能力提供支撐,使巖體的穩(wěn)定性能提高[4]。
(3)結(jié)構(gòu)耦合
處在高應(yīng)力軟巖中的隧道變形主要是巖體的結(jié)構(gòu)面變形,而且出現(xiàn)的變形位置是散布不均沒有規(guī)律的,需要采取特殊的耦合控制支護方式來進行處理,從而提高這些位置對應(yīng)巖體的穩(wěn)定性[5]。
由于高應(yīng)力軟巖隧道的聯(lián)合支護施工環(huán)境復(fù)雜,巖體的變形力和錨桿錨索的相互作用,為了能更好地達到耦合支護的效果,需要提前運用聯(lián)合支護理論和相關(guān)力學(xué)研究,確定出有效的耦合支護方案和具體的力學(xué)參數(shù)。具體的耦合設(shè)計流程如圖1。
圖1 聯(lián)合支護具體設(shè)計流程
在選用錨桿錨索聯(lián)合支護時,錨桿可以將零散破碎的巖體連接固定起來,當(dāng)高應(yīng)力軟巖體內(nèi)部壓力比較大,錨桿長度比較短時,由于支護力度不夠很容易發(fā)生變形,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加長錨索,提高巖體的承載強度,進而控制巖體的變形程度。特別是在大型的軟巖隧道中,通過托盤的作用預(yù)應(yīng)力錨索相對于其他支護方式有著更好的效果。
本隧道工程位于高應(yīng)力軟巖環(huán)境中,最大構(gòu)造應(yīng)力可達24.85MPa,傳統(tǒng)的被動支護形式無法滿足工程需求,采用錨桿錨索聯(lián)合支護的主動支護形式減少隧道的變形對支護結(jié)構(gòu)體的沖擊,進而提高巖體的安全性和穩(wěn)定性。
隧道橫截面為三心圓形式,開挖洞涇為11.75m,洞高9.72m,隧道建筑界限凈高6.75m,采用錨桿錨索聯(lián)合支護作為隧道支護的方法。如圖2為聯(lián)合支護設(shè)計思路:
圖2 錨桿錨索聯(lián)合支護設(shè)計圖
本次模擬采用FLAC3D有限元軟件,三維尺寸為100m×100 m×40 m,節(jié)點數(shù)量84628個,劃分單元為79801個。水平移動和底部邊界節(jié)點被相對限制,根據(jù)實地勘測該隧道的垂直應(yīng)力為22.5MPa,側(cè)壓力系數(shù)為0.76,可知隧道巖體水平應(yīng)力為17.10MPa,所以需要在模型兩側(cè)的水平應(yīng)力為17.10MPa,模型上邊界的垂直應(yīng)力為22.5MPa,來進行模擬高應(yīng)力軟巖隧道的環(huán)境。該隧道巖體力學(xué)參數(shù)見表1、錨桿錨索參數(shù)見表2。
不同支護方式中隧道巖體水平位移的變形程度是不一樣的,具體的圍巖距隧道表面距離和隧道拱腰圍巖位移的關(guān)系如圖3。
圖3 不同支護方式下隧道拱腰水平位移圖
由圖3可以看出,當(dāng)巖體深度未達到10m時,未采用支護時,巖體位移差不多在7.5cm,巖體內(nèi)部還是不穩(wěn)定;當(dāng)采用錨桿錨索聯(lián)合支護時巖體相對很穩(wěn)定位移幾乎為零。巖體的最大位移出現(xiàn)在隧洞巖體表面,當(dāng)距離圍巖表層小于3m,巖體變動的趨勢相對明顯,巖體的深度和巖體的變形量呈現(xiàn)負相關(guān)趨勢。
不同支護方式中隧道巖體垂直位移的變形程度是不一樣的,具體的圍巖距隧道表面距離和隧道頂板圍巖位移的關(guān)系如圖4。
圖4 不同支護方式下隧道拱頂垂直位移圖
由圖4可知,圍巖距隧道表面距離小于1m的時候,此時三種支護形式的巖體變形的垂直位移都最大,錨索錨桿聯(lián)合支護對應(yīng)的位移為9.71cm;錨噴支護對應(yīng)的位移為12.10cm;未支護形式下的巖體對應(yīng)的位移為17.55cm,很明顯在這三種工況中錨索錨桿聯(lián)合支護是最小的,支護效果最好。
隨著圍巖距隧道表面距離不斷加大,隧道頂板圍巖位移漸漸變小同時趨向緩平狀態(tài),其中在5m左右的距離是個拐點,小于5m時對應(yīng)的垂直位移量變化比較大,當(dāng)巖體的垂直深度大于5m時,其位移量變化就比較小。單一錨桿形式的支護對巖體的支護效果是遠遠不夠的,只有加上更長的錨索聯(lián)合支護起來,才能為圍巖提供較好的支護。
高應(yīng)力軟巖隧道最大主應(yīng)力在不同支護條件下的分布情況如圖5。
圖5 不同支護形式下巖體垂直應(yīng)力分布云圖
由圖5可知,圍巖的最大主應(yīng)力分布在隧洞的底部和頂部,并且以拉力的形式存在。采用錨噴支護的情況下對應(yīng)的最大主應(yīng)力為4.0MPa,錨桿錨索聯(lián)合支護對應(yīng)的最大主應(yīng)力也是4.0MPa,說明巖體的最大主應(yīng)力值幾乎不受不同的支護方式的影響。從最大主應(yīng)力分布范圍來分析,未支護時的受力范圍>錨噴支護時的受力范圍>錨桿錨索聯(lián)合支護時的受力范圍,說明采取錨桿錨索聯(lián)合支護的形式時巖體的受力范圍最小,隧道巖體的穩(wěn)定性較高。
結(jié)合以上分析,三種不同支護情況下對應(yīng)的主要模擬數(shù)據(jù)如表3所示。
從表3結(jié)合上述的分析可知,錨桿錨索聯(lián)合支護方式下,隧道發(fā)生的最大位移區(qū)域主要集中在頂板中央位置,并且發(fā)生的垂直位移相比于未支護和錨噴支護方式是最小的,同理水平位移也最小;而從垂直應(yīng)力及最大壓應(yīng)力分別來看,不同支護情況下的垂直應(yīng)力分別大致相同,但相比較下錨桿錨索聯(lián)合支護的最大垂直應(yīng)力及最大壓應(yīng)力最小;因此從最大壓應(yīng)力、最大水平位移、最大垂向位移、底部最大垂向位移、最大垂向應(yīng)力這五個方面分析比較,在造價及施工條件允許的情況下,采用錨桿錨索聯(lián)合支護方式作為隧道的支護方案較佳。
對錨桿錨索聯(lián)合支護的作用原理、設(shè)計參數(shù)及其效果進行了分析研究,研究結(jié)果表明:錨桿錨索聯(lián)合支護主要通過控制垂直位移、水平位移、垂直應(yīng)力、壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和巖體的屈服特征來解決高應(yīng)力軟巖隧道的支護問題,較傳統(tǒng)的支護方式更穩(wěn)定、效果更好,在造價及施工條件允許的情況下,可以采用錨桿錨索聯(lián)合支護方式作為隧道的支護方案。