燕 新，焦云成，高明明，彭 浩

(1. 新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830006； 2. 廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，南寧 530200)

隨著我國道路網(wǎng)的不斷規(guī)劃，隧道工程項(xiàng)目越來越多，在隧道施工過程中遇到的問題也逐漸增多[1-2]，如坍塌冒頂、大變形以及突泥涌水等問題。在軟巖隧道修建中，如何發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性并保證隧道施工的安全性，一直是相關(guān)科研技術(shù)人員研究的難點(diǎn)。

軟巖具有明顯的蠕變性質(zhì)[3-4]，對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有顯著影響。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟巖工程性質(zhì)的影響開展了大量研究，李永盛[5]和許宏發(fā)[6]對(duì)不同巖石開展蠕變?cè)囼?yàn)，分別給出了巖石的蠕變規(guī)律和深入研究方向。Yamatomi[7]提出巖石強(qiáng)度與應(yīng)變速率之間的關(guān)系，同時(shí)也指出用黏彈性本構(gòu)模型來描述巖石的蠕變變形和蠕變破壞。根據(jù)圍巖的力學(xué)特性，Park等[8]利用圖解法闡述收斂法的基本概念，并繪制了支護(hù)特征曲線。Brown等[9]在1983年基于Hoek-Brown(霍克-布朗)屈服準(zhǔn)則等給出圍巖應(yīng)力釋放過程曲線與支護(hù)措施的反應(yīng)曲線。根據(jù)圍巖的應(yīng)力釋放過程和結(jié)構(gòu)受力過程，學(xué)者們提出了不同處置措施，如雙層支護(hù)[10-11]、三層支護(hù)[12]以及鎖腳錨桿[13]等方法。對(duì)于鎖腳錨桿的研究，陳建勛等[14]采用試驗(yàn)方法，驗(yàn)證了鎖腳錨桿在軟巖隧道中的支護(hù)效果。在此基礎(chǔ)上，陳麗俊等[15]和羅彥斌等[16]給出不同鎖腳錨桿的計(jì)算模型，但對(duì)于鎖腳錨桿施作的位置研究較少，本文基于新疆烏尉1號(hào)軟巖隧道，采用數(shù)值模擬軟件MIDAS GTS對(duì)三臺(tái)階開挖工法下的鎖腳錨桿施作位置進(jìn)行分析。

1 支護(hù)等效

1.1 鎖腳錨桿的作用

鎖腳錨桿一般布置在臺(tái)階開挖處，主要作用為：①鎖住鋼拱架的端部，增加鋼拱架與圍巖的接觸，充分承擔(dān)圍巖的形變壓力，約束鋼拱架的縱向和豎向變形；②發(fā)揮錨桿的鍥固和擠壓作用，提高臺(tái)階周邊圍巖的物理力學(xué)參數(shù)值，充分發(fā)揮圍巖拱形的自承載能力。

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)等效

為精確模擬鎖腳錨桿的作用和優(yōu)化三臺(tái)階施工工法下鎖腳錨桿施作的位置，采用控制變量法對(duì)鎖腳錨桿進(jìn)行模擬。首先對(duì)系統(tǒng)錨桿加固區(qū)域的參數(shù)進(jìn)行等效，假設(shè)巖體和錨桿組成的復(fù)合體服從Mohr-Coulomb(摩爾-庫倫)屈服準(zhǔn)則，支護(hù)前后圍巖的屈服準(zhǔn)則大小如圖1所示。

由文獻(xiàn)[17]可知，系統(tǒng)錨桿與圍巖形成的復(fù)合體黏聚力c*、內(nèi)摩擦角φ*、彈性模量E*以及隧道的等效圓半徑a的表達(dá)式如式(1)～式(4)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，φ*為圍巖的內(nèi)摩擦角，c*為圍巖的黏聚力，Eb為錨桿的彈性模量，a為隧道的等效圓半徑，sr為錨桿環(huán)向間距，sl為隧洞軸向錨桿排距，rb為錨桿半徑，E*為巖體彈性模量，R1、R2、…、Rn為隧道輪廓線的半徑，n為隧道圓心數(shù)量。

2 工程簡(jiǎn)介

以新疆烏尉1號(hào)軟巖隧道為研究背景，該隧道設(shè)計(jì)為分離式單洞長(zhǎng)隧道，單洞斷面尺寸凈高為5.00 m，凈寬為18.25 m，隧道橫斷面如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)繪發(fā)現(xiàn)該隧址區(qū)K33+90前后、K34+200前后、K34+350、K35+02前后、K35+700～800前后及K36+400前后，發(fā)育6條規(guī)模較大的橫向擠壓破碎帶，破碎帶內(nèi)為碎石土、塊石以及破碎巖體等，沖溝側(cè)壁基巖撓曲破碎，其中K35+020及K36+400沖溝均見有孔隙水和裂隙水出露。

新疆烏尉1號(hào)軟巖隧道以強(qiáng)-中風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖為主，石炭系塊狀凝灰質(zhì)砂巖如圖3所示，巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)為164.4，屬較軟巖，巖體完整性較差，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，結(jié)合較差，巖體破碎，呈薄層狀、片狀結(jié)構(gòu)，少量裂隙水。在開挖時(shí)圍巖易失穩(wěn)、支護(hù)結(jié)構(gòu)易被破壞，分析原因可知，該支護(hù)結(jié)構(gòu)局部剛度過小，造成整體支護(hù)失穩(wěn)。本次主要針對(duì)烏尉隧道1號(hào)軟巖隧道Ⅴ級(jí)斷面進(jìn)行鎖腳錨桿優(yōu)化。

3 數(shù)值模擬

3.1 模擬參數(shù)

本次圍巖參數(shù)選?、跫?jí)ZK33+330斷面，巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)為164.4，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為12 MPa，屬于軟巖。

計(jì)算參數(shù)為：重度=27.4 kN/m3，變形模量Es=2 GPa，泊松比=0.176，內(nèi)摩擦角=39.92°，黏聚力=3.49 MPa。

系統(tǒng)錨桿參數(shù)為：系統(tǒng)錨桿采用Φ42×4 mm注漿鋼花管，錨桿半徑rb=21 mm，錨桿環(huán)向間距sr=11 cm，軸向錨桿排距sl=0.6 m，彈性模量Eb=206 GPa，隧道圓心數(shù)量n=3。

其他參數(shù)為：鋼拱架采用I22b工字鋼；采用C25噴射混凝土。

3.2 工況設(shè)定

工程采用三臺(tái)階開挖工法，錨桿鎖腳位置示意如圖4所示，圖中β為鎖腳錨桿與水平面的夾角。原鎖腳錨桿僅設(shè)計(jì)于C和C1處，在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，本次探究鎖腳錨桿施作位置對(duì)凝灰質(zhì)砂巖隧道變形的約束作用。

鎖腳錨桿位置工況設(shè)定如表1所示，其中鎖腳錨桿長(zhǎng)度為4 m，插入角度為12°。

表1 鎖腳錨桿位置工況設(shè)定

3.3 模型建立

由于新疆烏尉1號(hào)軟巖隧道長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于隧道斷面距離，簡(jiǎn)化三維模型為二維模型，采用MIDAS GTS軟件建立依托工程二維模型。模型長(zhǎng)度×寬度為200 m×500 m，二維隧道模型如圖5所示。模型邊界條件：x=-100時(shí)，位移為0；x=100時(shí)，位移為0；y=-200時(shí)，位移為0。

為分析鎖腳錨桿施作位置對(duì)圍巖拱頂變形和周邊收斂約束的效果，本次布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)和3條測(cè)線進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)及測(cè)線布置示意如圖6所示。

3.4 變形分析

3.4.1 拱頂豎向最大位移

工況1拱頂位移云圖如圖7所示，不同工況下y方向位移曲線如圖8所示。

工況1和工況3對(duì)比，上臺(tái)階施作鎖腳錨桿后，拱頂最大沉降值為20.2 mm，上臺(tái)階未施作鎖腳錨桿，拱頂最大沉降值為32.4 mm，沉降值增加了60.4%。工況1和工況2對(duì)比，中臺(tái)階施作錨桿后，拱頂累計(jì)沉降值為31.5 mm；中臺(tái)階未施作錨桿，拱頂累計(jì)沉降值為33.5 mm，拱頂累計(jì)沉降值增加了6%。工況1和工況5對(duì)比，下臺(tái)階拱腳處施作鎖腳錨桿，拱頂累計(jì)變形量為45.6 mm，下臺(tái)階未施作鎖腳錨桿，拱頂累計(jì)變形量為65.6 mm，變形量增加了43.9%。

對(duì)比分析可知，上臺(tái)階和拱腳處施作鎖腳錨桿對(duì)圍巖拱頂變形有明顯抑制作用；中臺(tái)階處施作鎖腳錨桿對(duì)拱頂?shù)目刂谱饔幂^小。由工況3和工況4對(duì)比可進(jìn)一步說明上臺(tái)階開挖后施作鎖腳錨桿對(duì)圍巖變形有明顯約束作用。

3.4.2 周邊收斂

工況1周邊收斂位移云圖如圖9所示。不同工況下測(cè)線b-b1的x方向位移曲線如圖10所示。

工況1和工況2對(duì)比，隨著隧道開挖工序的進(jìn)行，中臺(tái)階施作鎖腳錨桿時(shí)b-b1測(cè)線的周邊變形值分別為17.6 mm和19.4 mm，未施作鎖腳錨桿時(shí)收斂值分別為20.6 mm和22.5 mm，周邊收斂值分別增加了17%和15.9%。工況1和工況3對(duì)比，上臺(tái)階未施作鎖腳錨桿時(shí)b-b1測(cè)線的周邊變形值分別為18.9 mm和21.7 mm，收斂值增加了7.4%和9.8%。由工況1、工況2、工況3和工況4對(duì)比可知，上臺(tái)階施作的鎖腳錨桿對(duì)b-b1測(cè)線的周邊收斂控制效果較小。對(duì)比工況1和工況5，下臺(tái)階處未施作鎖腳錨桿時(shí)b-b1測(cè)線的周邊收斂值為22.6 mm，相比工況1增加了16.5%。

分析可知中臺(tái)階的錨桿施作和下臺(tái)階處的錨桿施作對(duì)b-b1測(cè)線的周邊變形有明顯控制作用，上臺(tái)階處施作鎖腳錨桿對(duì)b-b1測(cè)線的周邊變形控制效果降低。不同工況下測(cè)線c-c1的x方向位移曲線如圖11所示。

由圖11可知，工況1至工況6中c-c1測(cè)線的周邊變形分別為23.4 mm、26.8 mm、24.9 mm、25.7 mm、25.5 mm和29.5 mm，分析表明中臺(tái)階處施作鎖腳錨桿對(duì)c-c1有著明顯的控制作用。

分析原因可知，上臺(tái)階圍巖開挖擾動(dòng)后，巖體內(nèi)部的能量瞬時(shí)釋放，圍巖產(chǎn)生大變形，因此上臺(tái)階的支護(hù)結(jié)構(gòu)和支護(hù)方式對(duì)圍巖變形起重要作用。鎖腳錨桿添加上臺(tái)階鋼拱架與圍巖的黏附力，增加開挖區(qū)域鋼拱架的環(huán)向抗力，同時(shí)發(fā)揮錨桿的懸臂梁作用，提升擾動(dòng)圍巖的整體性，從而抑制圍巖變形。

上臺(tái)階開挖后，隧道變形能量已經(jīng)得到一定程度釋放，同時(shí)上臺(tái)階施作鎖腳錨桿抑制著上部圍巖的變形，中臺(tái)階開挖處發(fā)揮較小作用。隨著隧道開挖應(yīng)力的改變，圍巖邊墻處的切向剪應(yīng)力增大，邊墻向內(nèi)擠出，中臺(tái)階處施作鎖腳錨桿約束鋼拱架橫向脫離，抑制圍巖周邊變形。

隨著下臺(tái)階和仰拱的開挖，仰拱未施作前，初期支護(hù)未閉合成環(huán)，拱腳受力復(fù)雜，圍巖變形大，拱腳處施作鎖腳錨桿實(shí)現(xiàn)隧道斷面的成環(huán)效應(yīng)，減少隧道變形。

進(jìn)一步分析可知，工況1拱頂沉降和周邊收斂最小，工況6隧道拱頂沉降和收斂最大，同時(shí)與其他工況對(duì)比可知鎖腳錨桿對(duì)新疆烏尉1號(hào)軟巖隧道變形有一定控制作用。

4 結(jié)論

基于新疆烏尉1號(hào)軟巖隧道鎖腳錨桿設(shè)計(jì)理念，采用MIDAS GTS數(shù)值模擬軟巖，分析鎖腳錨桿的施作位置對(duì)圍巖變形的影響。以烏尉1號(hào)軟巖隧道施工方法為基礎(chǔ)，探究鎖腳錨桿施作上中下臺(tái)階處對(duì)圍巖變形效果的影響。根據(jù)模擬結(jié)果可知，上中臺(tái)階處施作鎖腳錨桿對(duì)圍巖拱頂變形有明顯約束作用；中臺(tái)階和下臺(tái)階處施作錨桿對(duì)圍巖周邊收斂有明顯作用。

基于烏尉1號(hào)軟巖隧道鎖腳錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)，僅對(duì)施作錨桿的位置進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證，并未驗(yàn)證鎖腳錨桿的長(zhǎng)度和角度，因此還應(yīng)進(jìn)一步研究鎖腳錨桿的長(zhǎng)度和角度對(duì)位置的影響。