对称型节理发育岩体隧道锚喷支护形式分析
0 引言
对于层状岩体隧道,郑颖人等
本文拟结合漂里隧道Ⅳ级围岩段实际节理形态,采用离散元程序UDEC模拟Ⅳ级岩体条件下不同锚喷支护参数对隧道围岩扰动和结构变形的影响,结合现场试验,提出该区段较为合理的支护设计参数,从而为类似工程支护参数的设计提供参考。
1 计算模型与参数取值
1.1 计算模型
现场调研漂里隧道进口左线里程ZK6+918,隧道埋深17.1m。围岩以强风化灰岩为主,单块岩石抗压强度较高,围岩节理裂隙发育,呈中、薄层状或碎裂状,节理特征主要为剪节理,具有共轭特征,节理面张开宽度较大,综合评定为Ⅳ级对称型围岩。根据现场地质素描,借助统计分析,得知该区段围岩主要有3组优势节理,由节理产状得到设计方案下的计算模型如图1所示。
图1 原设计方案下计算模型示意Fig.1 Calculation model for the primary design
1.2 计算工况及参数取值
依据钻孔勘察资料、岩样试验结果、地质素描及设计规范
对原设计方案进行锚杆优化设计,计算工况如表1所示。
表1 锚杆优化计算工况Table 1 Analysis cases of cable system
2 数值计算结果
2.1 位移影响
隧道开挖必然引起周围围岩松弛,从而形成拱效应,即表现为围岩自承能力。研究围岩的扰动范围能了解隧道周边围岩的松动情况,为选用合理的初支体系、锚杆参数(长度、布设范围)提供依据。不同锚杆支护条件下,隧道周围岩体扰动范围如图2所示。
图2 不同锚杆方案的Ⅳ级围岩变形Fig.2 Distribution of rock deformation
不同锚杆方案下,围岩扰动范围近似,隧道拱顶沉降量最大,从开挖隧道中部向两侧沉降量逐渐减小。对图2中隧道开挖扰动区面积进行统计分析,研究不同锚杆支护方案对围岩扰动区的影响,如图3所示。
图3 不同锚杆方案下扰动范围分布特征Fig.3 Disturbed zone for different support models
对比分析上述数据,可知:原设计方案(工况1),拱顶沉降、围岩扰动范围均为最小,安全系数最高;由系统锚杆逐渐降低为局部锚杆时(工况2~4),拱顶最大沉降基本不变,而围岩扰动区范围增幅不足3%;取消系统锚杆、仅设置锁脚锚杆时(工况5),围岩扰动区范围增幅达到14%;取消系统锚杆、仅设置格栅拱架时(工况6),围岩扰动区范围大幅增加,且落底极不安全。
从围岩变形角度考虑,对于近对称节理发育的Ⅳ级区段,工况4,5的安全性可以满足隧道建设安全要求。
在块状及碎裂状岩体中,节理面的剪切滑移主要是由于节理面的剪切破坏引起的,减小节理面的剪切滑移,需要增大节理面的抗剪切强度,也就是增大节理面的内摩擦角和黏聚力,在施加了锚杆后,围岩扰动区有明显的减小,这说明在碎裂状岩体中,锚杆可以起到增大节理面内摩擦角和黏聚力的效果。
2.2 锚杆轴力
理论上,对于相对破碎的Ⅳ级围岩,系统锚杆的主要作用是形成具有一定承载力的承载拱。锚杆支护是初期支护系统中重要环节,本次计算得到不同打设方案下锚杆轴力分布如图4所示。
图4 围岩隧道锚杆轴力分布(单位:k N)Fig.4 Cable axial force distribution(unit:k N)
依图4数据分析,围岩施作于结构的荷载,主要由拱顶、拱腰部位的锚杆承担,最大轴力达41k N,超过边墙、拱脚锚杆的2倍;随锚杆长度缩短、布设范围减小(工况2~4),锚杆轴力出现一定程度的增加(5%~15%),且单根锚杆轴力分布更为饱满,利用率提高,锚杆参数降低为仅拱顶120°范围布设、长2.5m时,仍可满足安全性要求。
取消系统锚杆以4对锁脚锚杆(管)代替时,较同位置系统锚杆对比,上台阶处变化不大,而下台阶最大出现50%的增幅,为42k N,仍可满足安全要求。
从锚杆受力角度,建议选取工况4,5的支护方案。
2.3初期支护轴力
不同锚杆方案条件下,初期支护轴力如图5所示。
图5 隧道初期支护轴力分布(单位:k N)Fig.5 Aixal force distribution of primary lining(unit:k N)
分析初期支护轴力分布特征可知,边墙、拱脚部位结构内力最大,且脚部可能存在应力集中现象,施工时对脚部进行加固;拱顶、仰拱部位截面轴力较小。
理论上,锚杆对于初期支护的受力起到“减压”作用,不是安全的控制因素,但计算表明,不同锚喷支护参数下,结构轴力峰值、分布差异相对较小,特别是采取局部锚杆时,轴力基本未变;即便取消系统锚杆,工况5,6的初支轴力峰值增幅最大为34k N,不足原方案的5%,如表2所示。
表2 不同锚杆方案围岩初期支护轴力峰值Table 2 The maximum axial force of primary lining for different support models
k N
综合围岩变形、锚杆轴力、初支结构轴力,从工程安全性、经济性角度考虑,选取工况5(取消系统锚杆、设置锁脚锚杆)作为优化方案,并开展现场试验、监测工作。
3 现场科研监测数据分析
根据工程实际情况,选取罗汉坡隧道YK4+889断面按原设计支护方案进行支护,YK4+897断面按优化后支护方案(喷射混凝土+格栅拱架+锁脚锚杆)进行支护,开展现场对比试验研究。图6,7分别为优化前后的围岩压力、断面收敛数据。
图6 围岩压力分布(单位:k Pa)Fig.6 Distribution of surrounding rock pressure(unit:k Pa)
图7 断面变形曲线Fig.7 Deformation curve of cross section
取消系统锚杆,仅设置格栅拱架、锁脚锚杆、喷射混凝土支护时,拱部的围岩压力比原设计方案下降10%~30%,而拱脚部位围岩压力出现近50%的增幅;收敛变形方面,变形趋势基本一致,优化后最大收敛量为9.2mm,约为原支护方案下的1.7倍。此外,现场观测表明(现隧道已修建完成,计划通车),采用优化方案后,优化区段未出现支护结构开裂、掉块、甚至坍塌现象。
总体上看,尽管优化支护方案下,结构受力、变形出现一定程度的增加,但其数据较小,在可接受范围内,表明前文提出的优化方案实际是可行的。
4 结语
针对修建于近对称型节理发育的Ⅳ级围岩公路隧道,本文通过室内数值仿真、现场试验手段,分析、探讨了不同锚杆支护参数下的结构受力、变形规律,提出类似地质条件下可取消系统锚杆、采用“喷射混凝土+拱架+锁脚锚杆”支护的观点。主要结论如下。
1)施作格栅拱架后,锚杆长度、布设范围分别由3.0m、拱部200.2°缩减为2.5m、拱部120°范围时,围岩扰动、结构变形、内力分布特征、数值基本不变,原设计方案安全富裕程度高,需进行优化。
2)取消系统锚杆、设置锁脚锚杆时,围岩扰动、结构变形及内力分布特征与原设计方案一致,但各自数值出现5%~15%的增加;确保施工质量前提下,“喷射混凝土+格栅拱架+锁脚锚杆”支护效果与“喷射混凝土+格栅拱架+拱部120°锚杆”方案相当,建议取消系统锚杆、增设锁脚锚杆,现场监测数据侧面验证了优化方案的可行性。
3)后续研究过程中,应增加施工工法(全断面法改变为台阶法)、工艺(落底、进尺控制)及围岩岩性等参数的考虑,形成体系,提高研究成果的适用性。
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