本文摘要：【摘 要】本文以蘭渝線鐵路隧道施工為工況背景，以長錨桿作為隧道圍巖變形控制的主要手段，介紹了隧道錨固數(shù)值模擬過程，簡要分析了圍巖穩(wěn)定性，對于軟弱圍巖隧道，優(yōu)化的長錨桿設(shè)置對圍巖的加固效果優(yōu)于普通錨桿設(shè)置。 【關(guān)鍵詞】 錨固試驗;軟弱圍巖;長錨桿
【摘 要】本文以蘭渝線鐵路隧道施工為工況背景，以長錨桿作為隧道圍巖變形控制的主要手段，介紹了隧道錨固數(shù)值模擬過程，簡要分析了圍巖穩(wěn)定性，對于軟弱圍巖隧道，優(yōu)化的長錨桿設(shè)置對圍巖的加固效果優(yōu)于普通錨桿設(shè)置。
【關(guān)鍵詞】 錨固試驗;軟弱圍巖;長錨桿;數(shù)值模擬
0 引言
目前，普遍應(yīng)用于地質(zhì)條件較好的巖土工程中的錨桿，其支護(hù)效果表現(xiàn)良好。但在圍巖松軟破碎、高地應(yīng)力等復(fù)雜條件下的大變形隧道中，錨桿支護(hù)仍然是尚待解決的難題。國內(nèi)外錨桿支護(hù)正朝著提高錨固力、提高支護(hù)效率、擴(kuò)大應(yīng)用范圍方向發(fā)展。普遍認(rèn)為開發(fā)具有強(qiáng)初撐、急增阻、高阻力力學(xué)特性的錨桿支護(hù)，是控制高應(yīng)力、軟巖大變形隧道的有效途徑，是錨桿支護(hù)的主要發(fā)展方向[1]。
本文以蘭渝線蘭州至廣元段鐵路隧道施工為工況模擬背景，針對該工程隧道開挖中圍巖大變形問題(開挖變形達(dá)25cm)，以長錨桿作為變形控制的主要手段，對現(xiàn)場試驗進(jìn)行模擬對比驗證計算，為完善軟巖大變形控制方法提供進(jìn)一步依據(jù)。
1 工程概況
該工程位于甘肅省岷縣縣城東邊。隧道于洮河右岸岷縣奈子溝村東側(cè)山坡(DK201+820)進(jìn)洞，在岷縣正龍骨料飼料廠后山坡(DK206+955)出洞。隧道全長5135m，為雙線隧道。隧道進(jìn)、出口位于國道G212路邊，交通方便。洞身段落山大溝深，地形起伏很大，距離國道較遠(yuǎn)，交通不便。該工程地貌上位于西秦嶺中山區(qū)。山高溝深，山坡、谷坡較陡，隧道洞身最大埋深248m，梁頂植被覆蓋較好。該隧道洞身經(jīng)過的地層有第四系全新統(tǒng)坡積砂質(zhì)黃土、碎石土;二疊系下統(tǒng)炭質(zhì)板巖、板巖、砂巖，三疊系中統(tǒng)板巖、砂巖等。山坡表層覆蓋有第四系全新統(tǒng)坡積黏質(zhì)黃土，坡積、滑坡堆積粗角礫土、碎石土等。
2 錨固試驗施工方法
考慮到成本投入和施工的便利性、可操作性，制定方案主要如下。以長錨桿作為變形控制的主要手段設(shè)置試驗段，沿中線對稱布置，錨桿鉆孔施作采用專用幫錨桿機(jī)。分三組試驗：第一組錨桿長3m;第二組錨桿長6m;第三組錨桿長8m;錨桿間距均為1m。錨桿布置情況如圖1所示。該控制措施效果富余時，可再確定加大錨桿間排距試驗，以便于確定合理的加固措施。其中3m、6m、8m長錨桿分別選用?準(zhǔn)22螺紋鋼、?準(zhǔn)42注漿鋼管、?準(zhǔn)70注漿鋼管，其施作富余部分與鋼拱架焊接，鎖定鋼拱架。施作步驟：鉆孔→快硬水泥卷與螺紋鋼端頭插入→送快硬水泥卷與螺紋鋼入孔→注漿→螺紋鋼鎖定鋼拱架。
3 模擬計算及分析
為分析錨桿對隧道圍巖變形控制的影響，根據(jù)實際工程的地質(zhì)條件分別進(jìn)行錨桿長度和直徑的對比試驗的模擬研究。
3.1 隧道計算范圍及地質(zhì)條件 隧道左右側(cè)邊界為隧道開挖洞徑的4倍，上下側(cè)為隧道開挖洞徑的3倍(隧道毛斷面凈高12.5m，跨度14.0m)。依據(jù)地形條件加載自重應(yīng)力。圍巖為Ⅴ級，處在F3斷層內(nèi)，隧道洞身二疊系～三疊系板巖、砂巖巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，工程地質(zhì)條件差。
3.2 計算單元和計算參數(shù)的選取 根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)的不同部分的特點(diǎn)選用合適的單元可以使模型更加接近工程實際，提高計算精度，減小解題規(guī)模。本次模擬采用ANSYS軟件對隧道開挖采用二維方式模擬，計算采用了三種單元，用實體單元PLANE42模擬圍巖和挖去的土體單元，用桿單元LINE1模擬隧道錨桿，用梁單元BEAM3模擬噴射混凝土和鋼拱架[2][3]。主要模擬計算參數(shù)如下：噴射混凝土：厚度0.3m，彈性模量30e9Pa，泊松比0.2，密度2551kg/m3;圍巖：彈性模量1.3e9Pa，泊松比0.38，凝聚力0.2e6Pa，內(nèi)摩擦角21;錨桿：彈性模量200ePa，泊松比0.3，密度7840kg/m3 [4]。
3.3 數(shù)值模擬分析 采用ANSYS軟件對長錨桿支護(hù)軟弱圍巖隧道方案進(jìn)行模擬，取經(jīng)過隧道縱軸線的圍巖立面為研究對象，分別得到27根4米錨桿、26根6米錨桿、12根8米錨桿作用下的圍巖豎向位移分布云圖。
3.3.1 以ANSYS模擬開挖和支護(hù)效果，選取合理的模擬計算參數(shù)十分重要，經(jīng)多次反復(fù)調(diào)試及驗證才能獲得有效的接近工程實際的模擬云圖。
3.3.2 位移控制效果分析。如圖2，27根3m錨桿控制最大變形量為18.947cm，26根6m錨桿控制最大變形量為14.009cm，12根8m錨桿控制最大變形量為14.7cm，且都發(fā)生在仰拱處，可見，優(yōu)化的錨桿設(shè)置控制變形最為有效。由錨桿軸力圖知，錨桿近端軸力大，遠(yuǎn)端軸力小，而且拱頂軸力比兩側(cè)的大，且錨桿的軸力相對于隧道結(jié)構(gòu)來說是對稱的。
3.3.3 圍巖穩(wěn)定性分析。在長錨桿的作用下，由于長錨桿較強(qiáng)的錨固力作用，改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，臨空面附近穩(wěn)定性較弱的巖體與深部穩(wěn)定性較好的巖體通過長錨桿連接在一起，增強(qiáng)了巖體結(jié)構(gòu)的整體作用，使得圍巖的整體性和承載能力得到了提高，圍巖的穩(wěn)定性亦顯著提高[5]。
4 結(jié)論
4.1 對現(xiàn)場試驗進(jìn)行數(shù)值模擬計算，為軟巖大變形控制方法的研究提供了一定的依據(jù)。
4.2 大變形隧道錨桿與圍巖相互作用雖取決于圍巖的力學(xué)特性以及隧道所處地形情況，但長錨桿對軟弱圍巖隧道的變形也具有一定的控制作用，長錨桿能夠改變圍巖的力學(xué)特性，提高圍巖的自承能力，減少圍巖變形，保持隧道圍巖的穩(wěn)定性。
4.3 針對具體地形以及隧道圍巖的力學(xué)性質(zhì)等因素優(yōu)化錨桿設(shè)置，對于軟弱圍巖隧道，長錨桿的設(shè)置對圍巖的加固效果優(yōu)于普通錨桿設(shè)置。
參考文獻(xiàn)：
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[2]孫鈞.地下結(jié)構(gòu)有限元法解析[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1988.
[3]鄭穎人，趙尚毅，鄧楚鍵等.有限元極限分析法發(fā)展及其在巖土工程中的應(yīng)用[J].中國工程科學(xué)，2006，8(12)：39-61.
[4]趙玲，李曉紅，顧義磊等.高應(yīng)力區(qū)隧道圍巖變形破壞的數(shù)值模擬及物理模擬研究[J].巖土力學(xué)，2007，28(增)：393-397.
[5]谷栓成，姚國圣，劉娟等.錨桿在軟巖中作用機(jī)制的研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，24(4)：74-76.
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