鄭 超 吳學(xué)震 鄧 濤 關(guān)振長(zhǎng) 楊黎宏

(①福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350116，中國(guó))

(②福建路橋建設(shè)有限公司，福州 350002，中國(guó))

0 引 言

軟弱圍巖隧道開(kāi)挖后，圍巖自穩(wěn)性差，如若施工不當(dāng)，極易引發(fā)大變形災(zāi)害。因而，如何確保軟弱圍巖隧道的施工安全一直是工程界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題(范新宇等，2019；黃維新等，2019；李天斌等，2019；周亞?wèn)|等，2019)。掌子面穩(wěn)定是隧道安全施工的基本前提，然而在軟弱圍巖隧道中掌子面不穩(wěn)定問(wèn)題十分常見(jiàn)。掌子面不穩(wěn)定問(wèn)題輕則表現(xiàn)為掌子面圍巖局部松動(dòng)掉塊，重則進(jìn)一步引發(fā)側(cè)壁圍巖變形和拱頂坍塌(劉大剛等，2018)。目前，控制掌子面變形的主要技術(shù)手段包括：預(yù)留核心土、掌子面噴射混凝土、掌子面錨桿等(關(guān)寶樹(shù)，2011；李鵬飛等，2014)。預(yù)留核心土是較為常用的方案，然而對(duì)施工組織影響較大，會(huì)顯著降低施工速度；掌子面噴射混凝土雖便于施工，但掌子面天然形態(tài)導(dǎo)致噴射形成的混凝土層找不到有效持力點(diǎn)，尤其在大斷面隧道的情況下，掌子面噴射混凝土方案支護(hù)效果有限。相較之下，掌子面超前錨桿不僅能夠深入巖體內(nèi)部，為掌子面提供強(qiáng)有力的支護(hù)效果，而且不占用施工空間。同時(shí)，桿體可采用高強(qiáng)且易于切削的玻璃鋼纖維(王洋等，2018)，方便機(jī)械化施工，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)隧道掌子面超前錨桿的支護(hù)效果展開(kāi)了理論和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。Dias(2011)為了探究掌子面超前錨桿的支護(hù)作用機(jī)理，在特定的掌子面破壞模式下，分析了錨桿的拉應(yīng)力、切應(yīng)力以及彎矩對(duì)于掌子面穩(wěn)定性的影響。Date et al.(2009)通過(guò)離心試驗(yàn)對(duì)掌子面錨桿在淺埋砂層隧道中的支護(hù)作用效果進(jìn)行分析，結(jié)果表明掌子面錨桿可以有效地降低掌子面應(yīng)力釋放。Kyoungwon et al.(2006)為使得掌子面錨桿的支護(hù)效果得到充分發(fā)揮，對(duì)其安裝角度進(jìn)行了研究。朱浩波(2015)采用竹條模擬掌子面錨桿，對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中掌子面錨桿的支護(hù)過(guò)程進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明掌子面錨桿可以明顯地提升掌子面及其前方地層的圍巖強(qiáng)度。洪開(kāi)榮等(2014)采用數(shù)值模擬的方式對(duì)掌子面錨桿的支護(hù)效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明掌子面錨桿在控制隧道先行變形以及掌子面擠出變形方面均有效果。李斌(2014)以雅滬高速公路石棉隧道為工程背景，對(duì)地震作用下隧道掌子面錨桿的支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬研究，認(rèn)為掌子面錨桿能夠增強(qiáng)掌子面的抗地震性能。祁寶貴(2019)以銀瓶山軟巖隧道為工程背景，通過(guò)數(shù)值模擬研究超前錨桿結(jié)合掌子面錨桿的支護(hù)方案對(duì)于軟巖隧道大變形的控制作用，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐取得了良好的支護(hù)效果。劉誠(chéng)等(2016)對(duì)野豬山隧道右線(xiàn)出口段掌子面錨桿的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為掌子面錨桿可以有效地控制圍巖變形，保持隧道穩(wěn)定。展宏躍(2017)針對(duì)重載鐵路隧道穿越富水砂層時(shí)掌子面難以穩(wěn)定的問(wèn)題，采用掌子面錨桿有效控制了掌子面失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

然而，現(xiàn)階段針對(duì)于掌子面錨桿布設(shè)方案的研究甚少，不論是在理論或是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐研究中所采用的掌子面錨桿布設(shè)方案較為單一，其主要布設(shè)參數(shù)包括加固密度、支護(hù)長(zhǎng)度以及搭接長(zhǎng)度。該方案在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，掌子面錨桿會(huì)隨著隧道的開(kāi)挖而不斷被截?cái)?，從而?dǎo)致錨桿的支護(hù)長(zhǎng)度逐漸縮短，支護(hù)效果越來(lái)越差。隧道掌子面狀態(tài)將愈發(fā)危險(xiǎn)直至錨桿的支護(hù)長(zhǎng)度縮短至搭接長(zhǎng)度，才能進(jìn)行新一輪的掌子面錨桿施工，重新補(bǔ)強(qiáng)掌子面，屬于間斷式布設(shè)方案。通常為避免該方案中掌子面錨桿支護(hù)效果過(guò)度弱化，需要保證錨桿具有一定的搭接長(zhǎng)度(崔柔柔等，2015；王志杰等，2019)。李斌等(2012)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)掌子面錨桿長(zhǎng)度增加至一定值后，繼續(xù)增加對(duì)于支護(hù)效果的提升程度較少，并將該值確定為搭接長(zhǎng)度。如此，為了滿(mǎn)足隧道不斷推進(jìn)的需求，掌子面錨桿布設(shè)長(zhǎng)度在設(shè)計(jì)時(shí)需要遠(yuǎn)大于搭接長(zhǎng)度，必將導(dǎo)致支護(hù)的經(jīng)濟(jì)效益嚴(yán)重下降。因此，隨著掌子面錨桿應(yīng)用的不斷普及，提出一種能夠在隧道開(kāi)挖過(guò)程中維持掌子面錨桿支護(hù)效果穩(wěn)定的布設(shè)方案將具有很大的工程實(shí)際意義。

本文以渭武高速木寨嶺公路隧道為工程依托，提出一種連續(xù)交替式掌子面錨桿布設(shè)方案，有望在不改變常規(guī)方案錨桿用量的前提下，維持掌子面錨桿在隧道開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)效果的穩(wěn)定。并進(jìn)一步結(jié)合數(shù)值模擬，將該方案與常規(guī)錨桿布設(shè)方案在支護(hù)效果方面進(jìn)行系統(tǒng)性對(duì)比，分析所提出方案的可行性。

1 工程概況

木寨嶺公路隧道是渭武高速的控制性工程，位于甘肅省定西市內(nèi)，橫跨漳縣、岷縣兩縣。隧道采用分離式雙向四車(chē)道設(shè)計(jì)，全長(zhǎng)約15ikm，最大埋深約629.1im，設(shè)計(jì)速度80ikm·h-1。隧道開(kāi)挖斷面面積約為115im2，最大開(kāi)挖跨度約為13im，最大開(kāi)挖高度約為11im。

隧道全線(xiàn)均為Ⅴ級(jí)圍巖，地應(yīng)力高度集中，斷層發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，巖性以軟質(zhì)炭質(zhì)板巖為主，巖體破碎，裂隙密集?，F(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料顯示，隧址范圍內(nèi)地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力最大值為18.76iMPa，最小水平主應(yīng)力最大值為15.64iMPa，側(cè)壓力系數(shù)約為1.4，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc在20～30iMPa之間。按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGiD70-2004)對(duì)地應(yīng)力等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，隧址范圍內(nèi)Rc/σmax均小于4，屬于極高應(yīng)力區(qū)。現(xiàn)場(chǎng)隧道開(kāi)挖后，圍巖自穩(wěn)時(shí)間短，變形速率快，量級(jí)大，造成掌子面穩(wěn)定性差、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)侵限、破壞等一系列施工難題，嚴(yán)重影響施工安全及施工效率。圖1為現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭露的圍巖情況，圖2為現(xiàn)場(chǎng)掌子面圍巖出現(xiàn)的局部滑塌現(xiàn)象。

相鄰的蘭渝鐵路木寨嶺隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中也出現(xiàn)了大量問(wèn)題，對(duì)于渭武高速木寨嶺公路隧道建設(shè)具有重要的借鑒意義。該隧道施工過(guò)程中初期支護(hù)變形極大，初期支護(hù)失效并反復(fù)拆換，二次襯砌裂損嚴(yán)重不得不進(jìn)行大面積重新施作。木寨嶺鐵路隧道襯砌大面積的開(kāi)裂大部分發(fā)生在襯砌施作后半年左右，局部地段在襯砌施作3年后出現(xiàn)開(kāi)裂，尤其在嶺脊核心段擴(kuò)拆長(zhǎng)度占比達(dá)到52.7%。二次襯砌拆換后，新的初期支護(hù)和襯砌混凝土總厚度達(dá)1.5im，貫通段混凝土厚度達(dá)2.1im，是一般隧道混凝土厚度的3倍，用鋼量是普通隧道的5倍，施工進(jìn)展極為緩慢，建設(shè)成本急劇增加(師亞龍等，2017；馬召林等，2018；葉康慨，2018)。

2 掌子面錨桿布設(shè)方案設(shè)計(jì)

為確保隧道施工的安全進(jìn)行，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)掌子面不穩(wěn)定問(wèn)題，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件后，擬采用6im長(zhǎng)玻璃鋼纖維錨桿(圖3)對(duì)掌子面進(jìn)行支護(hù)。此項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，雖然在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用尚未普及，但也有相當(dāng)多的應(yīng)用實(shí)例(Lunardi，2001；李小勇等，2017)，如圖4所示。掌子面錨桿不僅可以將掌子面表層不穩(wěn)定圍巖固定在深部圍巖上，防止掌子面局部圍巖滑塌，而且可以提供垂直于掌子面方向的約束壓力，將掌子面由平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的三向應(yīng)力狀態(tài)，改善掌子面圍巖的受力形式，是一種十分有效的掌子面支護(hù)措施。

考慮到掌子面錨桿在本實(shí)例中布設(shè)的長(zhǎng)度較短，主要發(fā)揮穩(wěn)定掌子面的作用，如若采用常規(guī)的掌子面錨桿布設(shè)方案，錨桿的支護(hù)效果會(huì)隨著開(kāi)挖的進(jìn)行很快喪失，雖然提高搭接長(zhǎng)度能保證支護(hù)效果，但會(huì)使得掌子面錨桿支護(hù)方案的經(jīng)濟(jì)性大幅下降。為解決該問(wèn)題，本文提出了一種連續(xù)交替式掌子面錨桿布設(shè)方案。為對(duì)比分析該方案的可行性，在錨桿用量相同的條件下，同時(shí)對(duì)常規(guī)間斷式錨桿布設(shè)方案以及所提出的連續(xù)交替式錨桿布設(shè)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 常規(guī)間斷式布設(shè)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)掌子面錨桿常規(guī)間斷式布設(shè)方案的設(shè)計(jì)思路，對(duì)擬支護(hù)開(kāi)挖斷面進(jìn)行掌子面錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)隧道掌子面錨桿的平面布設(shè)方式主要包括梅花形布設(shè)以及矩形布設(shè)，由于采用梅花形布設(shè)可使得錨桿在掌子面上的分布更加均勻，因而受到的工程應(yīng)用更為廣泛(劉佳楠等，2019；祁寶貴，2019；肖紅武，2019)。鑒于此，本次設(shè)計(jì)同樣采用梅花形布設(shè)。最終確定的支護(hù)參數(shù)為，掌子面錨桿采用間距為1.5im×1.5im的全斷面梅花形布設(shè)，共布設(shè)101根錨桿，布設(shè)密度約為0.88根·m-2，圖5為確定的掌子面錨桿布設(shè)點(diǎn)位圖。每根錨桿長(zhǎng)6im，搭接長(zhǎng)度為2im，掌子面錨桿支護(hù)狀態(tài)在縱向上的變化如圖6所示。掌子面錨桿用量隨隧道開(kāi)挖總進(jìn)尺的變化滿(mǎn)足如下關(guān)系：

(1)

式中：y為掌子面錨桿用量(m)；x為隧道開(kāi)挖總進(jìn)尺(m)；a為單根錨桿長(zhǎng)度(m·根-1)；b為開(kāi)挖斷面上錨桿總數(shù)(根)；c為錨桿搭接長(zhǎng)度(m)。

2.2 連續(xù)交替式布設(shè)方案設(shè)計(jì)

與常規(guī)間斷式錨桿布設(shè)方案每次均在所有的錨桿設(shè)計(jì)點(diǎn)位上布設(shè)錨桿不同，連續(xù)交替式布設(shè)方案將掌子面上的所有錨桿設(shè)計(jì)點(diǎn)位劃分為若干個(gè)部分在隧道推進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行連續(xù)逐部分交替布設(shè)。劃分?jǐn)?shù)量取決于隧道單次開(kāi)挖進(jìn)尺以及掌子面錨桿長(zhǎng)度。確保在每次開(kāi)挖結(jié)束后，下一輪掌子面錨桿施工點(diǎn)位上的所有錨桿均被挖除。

按照此方案進(jìn)行掌子面錨桿布設(shè)，可以使得掌子面上的錨桿支護(hù)數(shù)量以及支護(hù)長(zhǎng)度總和在隧道開(kāi)挖的過(guò)程中始終維持在穩(wěn)定水平，有望實(shí)現(xiàn)掌子面錨桿支護(hù)效果的穩(wěn)定。同時(shí)該方案也可以將原本需要在一個(gè)斷面內(nèi)完成的錨桿布設(shè)工程量均分在每個(gè)開(kāi)挖斷面上，更加有利于開(kāi)挖斷面的穩(wěn)定。

2.2.1 錨桿布設(shè)數(shù)量確定

根據(jù)掌子面錨桿連續(xù)交替式布設(shè)方案的設(shè)計(jì)思路，確定出掌子面錨桿用量與隧道開(kāi)挖總進(jìn)尺之間的關(guān)系如下：

(2)

式中：y為掌子面錨桿用量(m)；x為隧道開(kāi)挖總進(jìn)尺(m)；a為單根錨桿長(zhǎng)度(m·根-1)；b為開(kāi)挖斷面上錨桿總數(shù)(根)；c為隧道單次開(kāi)挖進(jìn)尺(m)，按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工取2im。

為保證兩種方案錨桿的用量在同一水平上，聯(lián)立式(1)與式(2)。通過(guò)試算，確定出采用交替錨桿布設(shè)方案時(shí)，掌子面上的錨桿總數(shù)約為147根，密度約為1.28根·m-2，并由此估算出錨桿布設(shè)間距約為1.2im×1.2im。兩種方案錨桿用量對(duì)比如圖7。掌子面錨桿總體布設(shè)點(diǎn)位如圖8。

2.2.2 錨桿布設(shè)點(diǎn)位確定

掌子面錨桿的布設(shè)長(zhǎng)度為6im，隧道單次開(kāi)挖進(jìn)尺為2im，因此需要將圖8所示的掌子面錨桿總體布設(shè)點(diǎn)位劃分為3個(gè)部分進(jìn)行連續(xù)交替布設(shè)，便能在經(jīng)歷前兩個(gè)初始布設(shè)斷面后，實(shí)現(xiàn)每次開(kāi)挖結(jié)束，下一輪掌子面錨桿施工點(diǎn)位上的所有錨桿均被挖除。按照此方案布設(shè)，在隧道推進(jìn)過(guò)程中，掌子面將始終處于2im、4im、6im這3種不等長(zhǎng)錨桿的支護(hù)作用下。掌子面錨桿支護(hù)狀態(tài)隨隧道開(kāi)挖變化的縱向示意圖如圖9所示，圖9a、圖9b為前2個(gè)初始布設(shè)斷面。

雖然此方案中的初始布設(shè)斷面較少，但由于初始布設(shè)斷面上掌子面錨桿的支護(hù)狀態(tài)尚未達(dá)到穩(wěn)定階段，支護(hù)相對(duì)薄弱。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果，將初始布設(shè)斷面設(shè)置在相對(duì)較為穩(wěn)定的巖層中，消除初始布設(shè)斷面的不利影響；也可以在第1個(gè)斷面上直接按照穩(wěn)定后的支護(hù)狀態(tài)布設(shè)不等長(zhǎng)錨桿，避免初始布設(shè)斷面的出現(xiàn)。

為使得隧道推進(jìn)過(guò)程中每個(gè)掌子面上支護(hù)的不等長(zhǎng)錨桿分布均勻，需要對(duì)錨桿布設(shè)點(diǎn)位進(jìn)行合理劃分?？紤]到隧道推進(jìn)過(guò)程中，同一部分錨桿布設(shè)點(diǎn)位上的錨桿支護(hù)長(zhǎng)度相同，則錨桿布設(shè)點(diǎn)位的劃分方式需要滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：

(1)劃分得到的每部分錨桿布設(shè)點(diǎn)位的數(shù)量需相同，即實(shí)現(xiàn)均分。如若不同，則在隧道推進(jìn)過(guò)程中，會(huì)存在以某種支護(hù)長(zhǎng)度為主的掌子面錨桿支護(hù)狀態(tài)，相應(yīng)的會(huì)出現(xiàn)以最短支護(hù)長(zhǎng)度為主的支護(hù)薄弱斷面。

(2)劃分得到的每部分錨桿布設(shè)點(diǎn)位不能扎堆存在同一區(qū)域內(nèi)。若扎堆存在同一區(qū)域，則在隧道推進(jìn)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)在某一區(qū)域內(nèi)錨桿的支護(hù)長(zhǎng)度均為掌子面上最短的支護(hù)狀態(tài)，造成區(qū)域性的支護(hù)薄弱，將有可能導(dǎo)致掌子面出現(xiàn)局部的松動(dòng)掉塊現(xiàn)象。

本方案采用數(shù)字編號(hào)的方式對(duì)錨桿布設(shè)點(diǎn)位進(jìn)行劃分。將掌子面錨桿總體布設(shè)點(diǎn)位圖上的錨桿點(diǎn)位從左至右逐行依次從1～147進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)為1、4、7……作為第1部分錨桿布設(shè)點(diǎn)位，編號(hào)為2、5、8……作為第2部分錨桿布設(shè)點(diǎn)位，編號(hào)為3、6、9……作為第3部分錨桿布設(shè)點(diǎn)位。劃分后得到的3部分錨桿布設(shè)點(diǎn)位如圖10所示。

將前述確定的連續(xù)交替式錨桿布設(shè)方案應(yīng)用于掌子面支護(hù)上，在經(jīng)歷前2個(gè)初始布設(shè)斷面后，掌子面上的錨桿支護(hù)狀態(tài)將在圖11所示的3種錨桿支護(hù)狀態(tài)上循環(huán)，直至結(jié)束掌子面錨桿支護(hù)。

3 數(shù)值模型及參數(shù)

在確定兩種不同布設(shè)方案的具體參數(shù)后，采用有限差分軟件FLAC3D，建立與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相吻合的數(shù)值模型，將掌子面錨桿分別按照常規(guī)間斷式布設(shè)方案與連續(xù)交替式布設(shè)方案在數(shù)值模型中進(jìn)行應(yīng)用。通過(guò)系統(tǒng)性對(duì)比分析兩種方案產(chǎn)生的支護(hù)效果，驗(yàn)證連續(xù)交替式錨桿布設(shè)方案的可行性。

3.1 數(shù)值模型

選取木寨嶺公路隧道K214+008～K214+250軟巖大變形段作為研究對(duì)象，該段平均埋深約為520im。模型建立時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，取隧道拱頂與模型頂面間距離為40im，其余埋深影響通過(guò)在模型頂面施加自重應(yīng)力進(jìn)行考慮。模型中的隧道掌子面尺寸與實(shí)際工況相同，最大開(kāi)挖高度為11im，最大開(kāi)挖跨度為13im，總開(kāi)挖面積約115im2。模型四周與隧道間的距離，均取3倍以上洞徑，以避免計(jì)算結(jié)果受邊界效應(yīng)影響，最終建立的模型尺寸為116im×100im×90im。模型網(wǎng)格的劃分，考慮到數(shù)值計(jì)算關(guān)注的重點(diǎn)在于掌子面的變形情況，因此對(duì)掌子面位置以及進(jìn)深方向上的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理。模型共生成848115個(gè)節(jié)點(diǎn)以及868000個(gè)網(wǎng)格，如圖12所示。模型四周按照實(shí)測(cè)地應(yīng)力賦予應(yīng)力邊界條件生成符合實(shí)際的高地應(yīng)力場(chǎng)。數(shù)值計(jì)算中假定圍巖服從M-C屈服準(zhǔn)則。圍巖參數(shù)選取參考木寨嶺公路隧道的相關(guān)文獻(xiàn)(王娜，2017)，如表1所示。

表1 圍巖參數(shù)Table 1 The parameters of surrounding rock

3.2 模型相關(guān)參數(shù)

模擬采用全斷面開(kāi)挖，單個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺為2im。初期支護(hù)中鋼筋網(wǎng)、鋼拱架的作用以剛度折算的方式，折算入混凝土噴層進(jìn)行等效考慮，混凝土噴層采用Shell單元進(jìn)行模擬，徑向錨桿采用Cable單元進(jìn)行模擬。掌子面錨桿主要考慮其發(fā)揮軸向約束的作用，因此同樣采用Cable單元模擬足以滿(mǎn)足計(jì)算精度要求。掌子面錨桿均為全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿，具體參數(shù)如表2。生成的支護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖13。

表2 掌子面錨桿參數(shù)Table 2 The parameters of bolts on tunnel face

數(shù)值計(jì)算中不考慮初期支護(hù)施作時(shí)間的影響，認(rèn)為單個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺完成后初期支護(hù)立即施作完成。由于掌子面錨桿布設(shè)數(shù)量較多，因此數(shù)值計(jì)算中為反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)施工情況，通過(guò)控制數(shù)值計(jì)算步驟等效考慮掌子面錨桿布設(shè)的時(shí)間效應(yīng)。當(dāng)布設(shè)錨桿時(shí)采用的具體數(shù)值計(jì)算步驟為：①掌子面向前開(kāi)挖2im至掌子面錨桿布設(shè)斷面，立即完成開(kāi)挖位置初期支護(hù)并計(jì)算至平衡，以此計(jì)算平衡過(guò)程作為對(duì)錨桿布設(shè)時(shí)間的等效考慮；②按照預(yù)設(shè)的錨桿布設(shè)點(diǎn)位完成掌子面錨桿布設(shè)后，再向前開(kāi)挖2im，立即完成開(kāi)挖位置初期支護(hù)后計(jì)算至平衡。數(shù)值計(jì)算過(guò)程示意如圖14。

按照此計(jì)算方式，常規(guī)間斷式錨桿布設(shè)方案與連續(xù)交替式錨桿布設(shè)方案實(shí)際參與數(shù)值計(jì)算的錨桿支護(hù)長(zhǎng)度為4im和2im。數(shù)值計(jì)算中，當(dāng)隧道模型完成20im的逐步開(kāi)挖、計(jì)算后，再進(jìn)行掌子面錨桿布設(shè)，以充分消除模型邊界效應(yīng)的影響。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 掌子面穩(wěn)定性影響對(duì)比

掌子面錨桿支護(hù)的直接目的是通過(guò)控制掌子面及其前方地層的擠出變形，提升掌子面的穩(wěn)定性。因此將錨桿對(duì)于掌子面及其前方地層擠出變形的控制程度作為錨桿對(duì)于掌子面支護(hù)效果的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，定義擠出變形約束量μ。

(3)

式中：μ0為無(wú)錨桿支護(hù)條件下掌子面擠出變形最大值(mm)；μs為錨桿支護(hù)條件下掌子面及其前方地層相應(yīng)斷面位置擠出變形最大值(mm)。

4.1.1 掌子面錨桿支護(hù)狀態(tài)變化對(duì)支護(hù)效果的影響

將掌子面錨桿按照兩種不同布設(shè)方案應(yīng)用于掌子面支護(hù)時(shí)，隨著隧道開(kāi)挖的進(jìn)行，掌子面上的錨桿支護(hù)狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。由于在不斷支護(hù)掌子面的條件下，各錨桿支護(hù)狀態(tài)產(chǎn)生的支護(hù)效果會(huì)相互疊加，因此無(wú)法直觀(guān)地對(duì)各種支護(hù)狀態(tài)產(chǎn)生的具體支護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了評(píng)價(jià)兩種方案中可能出現(xiàn)的各錨桿支護(hù)狀態(tài)對(duì)于掌子面的支護(hù)效果，將隧道模型全斷面開(kāi)挖至模型中部后，將常規(guī)間斷式布設(shè)方案應(yīng)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的掌子面錨桿全長(zhǎng)4im，掌子面錨桿全長(zhǎng)2im的兩種支護(hù)狀態(tài)以及連續(xù)交替式布設(shè)方案應(yīng)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的掌子面錨桿支護(hù)狀態(tài)1、2、3(圖11a、圖11b、圖11c)的3種支護(hù)狀態(tài)分別布設(shè)于掌子面上進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

在數(shù)值計(jì)算模型中于掌子面及其前方地層上，每隔1im沿著隧道中軸線(xiàn)位置布設(shè)一系列的擠出變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，得到掌子面錨桿對(duì)于掌子面及其前方地層的擠出變形約束量與掌子面間距離的關(guān)系如圖15。

以2%的擠出變形約束量作為評(píng)價(jià)掌子面錨桿對(duì)于變形是否有控制作用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，探究?jī)煞N不同布設(shè)方案中可能出現(xiàn)的各錨桿支護(hù)狀態(tài)對(duì)于掌子面及其前方地層擠出變形的影響程度以及影響范圍。

由圖15可知，掌子面錨桿采用不同的布設(shè)方案時(shí)，得到的擠出變形約束量隨地層與掌子面間距離的變化規(guī)律基本一致。錨桿對(duì)于掌子面的支護(hù)效果隨著掌子面前方地層的深入而逐漸降低，影響范圍大約為掌子面前方8im內(nèi)地層。當(dāng)掌子面錨桿采用常規(guī)間斷式布設(shè)方案進(jìn)行支護(hù)時(shí)，掌子面錨桿的支護(hù)長(zhǎng)度隨著隧道開(kāi)挖的進(jìn)行從4im縮短為2im，雖然其支護(hù)作用的影響范圍沒(méi)有縮小，維持在8im，但是其支護(hù)效果在影響范圍內(nèi)顯著降低，降低程度隨著地層與掌子面間的距離增大而減小。對(duì)于掌子面位置的支護(hù)作用效果降低程度最為顯著，擠出變形約束量由14%左右下降到11%左右，有著較大程度的損失；反觀(guān)，當(dāng)采用連續(xù)交替式布設(shè)方案時(shí)，雖然掌子面錨桿的支護(hù)狀態(tài)也隨著開(kāi)挖的進(jìn)行而產(chǎn)生變化，但其產(chǎn)生的支護(hù)效果在影響范圍內(nèi)維持穩(wěn)定。對(duì)應(yīng)的擠出變形約束量顯著優(yōu)于常規(guī)間斷式方案最不利支護(hù)狀態(tài)錨桿支護(hù)長(zhǎng)度2im時(shí)產(chǎn)生的擠出變形約束量。對(duì)于掌子面位置的擠出變形約束量維持在13%左右，略高于常規(guī)布設(shè)方案對(duì)于掌子面擠出變形約束量的平均水平。

4.1.2 掌子面錨桿支護(hù)效果隨隧道推進(jìn)過(guò)程的變化

在隧道推進(jìn)過(guò)程中，對(duì)掌子面進(jìn)行不斷支護(hù)時(shí)，每個(gè)掌子面上的錨桿支護(hù)作用效果和影響范圍會(huì)相互疊加。因此按照兩種不同的布設(shè)方案，在隧道推進(jìn)過(guò)程中對(duì)掌子面不斷進(jìn)行支護(hù)，研究其支護(hù)效果隨隧道推進(jìn)過(guò)程的變化規(guī)律。

由圖16可知，采用常規(guī)間斷式布設(shè)方案時(shí)，由于錨桿的支護(hù)長(zhǎng)度會(huì)隨著隧道開(kāi)挖的進(jìn)行在不斷縮短和補(bǔ)長(zhǎng)之間交替，導(dǎo)致錨桿對(duì)于掌子面擠出變形約束量在6%～14%之間產(chǎn)生大幅度波動(dòng)，支護(hù)作用效果表現(xiàn)出嚴(yán)重的高低不均，這對(duì)于掌子面變形的控制相當(dāng)不利。反觀(guān)，采用連續(xù)交替式布設(shè)方案時(shí)，在經(jīng)歷過(guò)2個(gè)初始的布設(shè)斷面后，錨桿的支護(hù)作用效果穩(wěn)定在10%左右，處于常規(guī)間斷式布設(shè)方案產(chǎn)生支護(hù)效果的平均水平，可以很好地解決常規(guī)方案中錨桿支護(hù)作用效果不穩(wěn)定的問(wèn)題。

綜合上述分析可知，掌子面錨桿采用常規(guī)間斷式布設(shè)方案支護(hù)掌子面時(shí)，對(duì)于掌子面的支護(hù)作用效果受到錨桿支護(hù)狀態(tài)變化的影響嚴(yán)重，存在最不利的支護(hù)狀態(tài)。而采用連續(xù)交替式布設(shè)方案時(shí)，對(duì)于掌子面的支護(hù)效果幾乎不受錨桿支護(hù)狀態(tài)變化的影響，可以維持在穩(wěn)定水平，彌補(bǔ)了常規(guī)間斷式方案存在最不利支護(hù)狀態(tài)的缺陷。同時(shí)，連續(xù)交替式布設(shè)方案為掌子面提供的穩(wěn)定支護(hù)效果要顯著高于常規(guī)方案的最差支護(hù)效果，且大致處于常規(guī)方案支護(hù)效果的平均水平。

4.2 地層控制效果對(duì)比

掌子面錨桿增強(qiáng)了掌子面及其前方地層的強(qiáng)度，在促進(jìn)掌子面穩(wěn)定的同時(shí)，也能起到控制地層變形的作用(Lunardi，2000)。以拱頂沉降為例，對(duì)比分析兩種不同的掌子面錨桿布設(shè)方案在地層變形控制方面的差異。同樣地，引入掌子面錨桿支護(hù)對(duì)于拱頂沉降變形控制效果的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，定義拱頂沉降變形約束量η。

(4)

式中：η0為無(wú)錨桿支護(hù)條件下拱頂沉降變形收斂值(mm)；ηs為錨桿支護(hù)條件下相應(yīng)斷面位置拱頂沉降值(mm)。

由圖17可知，采用不同的掌子面錨桿布設(shè)方案，得到的拱頂沉降變形約束量隨地層與掌子面間距離的變化規(guī)律基本一致。以2%作用界定影響范圍的標(biāo)準(zhǔn)，則影響范圍大約在掌子面后方3im以及掌子面前方8im的范圍內(nèi)，較為顯著的影響范圍為掌子面前方6im左右，在掌子面前約3im的位置支護(hù)效果最為顯著。采用常規(guī)間斷式布設(shè)方案，掌子面錨桿支護(hù)長(zhǎng)度為4im時(shí)，拱頂沉降變形約束量最大值達(dá)到11.5%；當(dāng)掌子面錨桿的支護(hù)長(zhǎng)度縮短為2im時(shí)，該值減少至9%左右，相較于掌子面錨桿支護(hù)長(zhǎng)度4im時(shí)有著較大程度的損失。

反觀(guān)采用連續(xù)交替式布設(shè)方案時(shí)，錨桿對(duì)于拱頂沉降變形的控制作用基本不隨錨桿支護(hù)狀態(tài)的變化而變化，維持在穩(wěn)定水平。錨桿支護(hù)狀態(tài)1、2、3對(duì)于拱頂沉降變形的約束量最大值基本相同，約10.3%，支護(hù)效果介于常規(guī)間斷式錨桿布設(shè)方案的平均水平。

由上述對(duì)比可知，掌子面錨桿采用常規(guī)間斷式布設(shè)方案時(shí)，對(duì)于地層變形的控制效果同樣隨著支護(hù)狀態(tài)的變化有著較大的波動(dòng)，存在最不利支護(hù)狀態(tài)，而連續(xù)交替式錨桿布設(shè)方案在地層變形的控制方面依舊能夠發(fā)揮出穩(wěn)定的支護(hù)效果，基本不隨支護(hù)狀態(tài)的變化而變化。

5 結(jié) 論

(1)掌子面超前錨桿采用常規(guī)間斷式布設(shè)方案時(shí)，不論是在控制掌子面變形還是地層變形方面，錨桿支護(hù)狀態(tài)的變化會(huì)對(duì)支護(hù)效果產(chǎn)生較大影響，具體表現(xiàn)為錨桿長(zhǎng)度的縮短會(huì)導(dǎo)致支護(hù)效果的損失，存在最不利支護(hù)狀態(tài)。在隧道開(kāi)挖過(guò)程中不斷對(duì)掌子面進(jìn)行支護(hù)時(shí)，對(duì)于掌子面的支護(hù)效果會(huì)產(chǎn)生大幅度的波動(dòng)，表現(xiàn)出嚴(yán)重的高低不均。

(2)新提出的連續(xù)交替式布設(shè)方案，雖然掌子面錨桿的支護(hù)狀態(tài)也會(huì)隨著隧道開(kāi)挖的進(jìn)行而產(chǎn)生變化，但是各支護(hù)狀態(tài)變化均勻，對(duì)于掌子面變形或者是地層變形的控制效果基本穩(wěn)定在同一水平，更有利于圍巖的穩(wěn)定。

(3)以渭武高速木寨嶺隧道為工程依托，在不提高支護(hù)成本的前提下，對(duì)掌子面超前錨桿分別采用常規(guī)間斷式布設(shè)方案以及新提出的連續(xù)交替式布設(shè)方案時(shí)的支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明新方案在隧道推進(jìn)過(guò)程中可維持錨桿支護(hù)作用效果穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目的，可以很好地解決常規(guī)間斷式布設(shè)方案存在的問(wèn)題。后續(xù)將進(jìn)一步根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該方案的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果可為掌子面超前錨桿布設(shè)提供一種新方法。