淺埋軟弱圍巖隧道掌子面錨桿預加固參數分析

鄧洪龍 劉 江 晁曉輝 李 銘 張宗磊

（1.中交第二公路工程局有限公司；2.河南理工大學土木工程學院）

新奧法對我國隧道工程的基礎理論、設計和施工技術的發展有著十分重要的影響，經過大量的隧道工程實踐經驗，科研及工程人員提出了不同隧道圍巖質量的開挖方法［1］。從保證工期和節約成本出發，開挖方法的選擇為全斷面法→臺階法→CD 法→CRD 法→雙側壁導坑法；從施工安全考慮，順序正好相反［2］。

新意法［3］是意大利Pietro Lunardi 教授基于新奧法與壓力拱理論提出的，其核心思想是通過對隧道施工中圍巖的應力-應變反應進行深入研究，通過對超前核心土的強度和剛度進行調節來控制圍巖的變形。新意法的優點在于能夠提高隧道的整體穩定性和安全性，同時也能夠降低施工風險和減少施工時間和成本。因此，在地層條件較差的情況下，采用新意法是一種較為可行的選擇。國內外的一些學者已經針對隧道超前預加固進行了研究，肖廣智等［4］對以控制掌子面超前核心土變形為手段的新意法理論進行了系統介紹。陳濤等［5］對玻璃纖維錨桿全斷面預加固技術及工藝操作流程進行了介紹，為新意法在隧道建設中的應用與推廣提供了理論基礎。師曉權等［6］通過對軟弱圍巖隧道開挖進行預加固試驗分析，研究掌子面錨桿加固對圍巖穩定的影響效應。LI等［7］通過模擬基于軟弱圍巖隧道掌子面錨桿各項加固參數對掌子面穩定性的影響進行研究。FETHI等［8］對掌子面錨桿與隧道護拱的加固效果通過有限差分法進行了對比分析。韓會軍等［9］在極限分析上限法與綜合強度折減法的基礎上對掌子面穩定性的影響因素進行了分析，得出了掌子面錨桿在對提高圍巖穩定性方面作用顯著，可為施工中超前支護參數和施工方法的初步確定提供參考。關巖鵬等［10］在新意法的理論基礎上，對桃樹坪大斷面軟巖隧道工程進行了研究，得出大斷面軟巖隧道新意法施工的合理加固參數。在國外，新意法已經被廣泛應用于隧道設計和施工中，取得了良好的效果［11-14］。而在我國，由于缺乏相關的技術人員和實踐經驗，只在部分隧道開挖段中進行了嘗試性應用［15-16］。

綜上所述，大多數學者更重視對隧道圍巖的支護，對掌子面核心土的穩定性研究較少，為了提高圍巖穩定性，本文采用新意法的理念，結合格魯吉亞某公路隧道工程，運用有限差分軟件模擬，優化淺埋軟弱圍巖隧道掌子面錨桿的加固密度、加固長度，可供類似工程參考。

1 工程概況及分析工況

1.1 工程概況

格魯吉亞某公路隧道工程洞徑12.9 m，施工要求開挖高度11.0 m，每循環進尺1.0 m。隧道圍巖主要為石英片麻巖構成的變質巖（PZqgn）地層，圍巖級別為Ⅴ級。

1.2 模擬工況

為分析玻璃纖維錨桿加固對掌子面前方圍巖變形和應力影響，隧道圍巖采用摩爾-庫侖本構模型，開挖方式采用全斷面開挖，循環開挖進尺為1 m，開挖至目標斷面處。初次支護采用殼單元結構，掌子面玻璃錨桿直徑22 mm。圍巖物理力學參數如表1所示，支護結構參數如表2所示。

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分析玻璃錨桿施作長度對掌子面前方圍巖變形和應力影響的計算工況見表3。分析玻璃錨桿施作密度β（掌子面每平方米錨桿數量）對掌子面前方圍巖變形和應力影響的計算工況見表4。

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2 模擬計算結果分析

2.1 玻璃錨桿加固長度模擬分析

通過對工況MG-1～MG-4 的模擬計算，得到當開挖至30 m 目標斷面時，掌子面擠出位移變化、掌子面拱頂處前方位移及應力變化。

（1）玻璃纖維錨桿不同加固長度下掌子面擠出位移曲線如圖1 所示。由圖1 可知，隨著玻璃錨桿加固長度的增加，掌子面擠出位移逐漸減小。l=0 m（掌子面無加固）時，掌子面最大擠出位移為27.5 mm；l=3 m 時，掌子面最大擠出位移為19.4 mm，相對于l=0 m 減少了約29.5%；l=6 m 時，掌子面最大擠出位移為15.8 mm，相對于l=0 m 減少了約42.5%；l=8 m 和l=12 m 時，掌子面最大擠出位移為15.1 mm，相對于l=0 m減少了約45.1%；當加固長度大于6 m時，繼續增加錨桿加固長度對掌子面的擠出變形控制效果不明顯，從掌子面擠出位移角度分析，可知合理的錨桿加固長度為6 m。

（2）玻璃纖維錨桿不同加固長度下掌子面拱頂處前方監測點預收斂變形情況如圖2 所示。由圖2可以看出，隨著錨桿加固長度的增加，掌子面拱頂處前方監測點預變形量逐漸減小，并趨于穩定，預變形主要發生在距離掌子面10 m 范圍內。當錨桿加固長度大于6 m 時，繼續增加錨桿加固長度對掌子面拱頂處前方圍巖的預變形控制效果不明顯，從掌子面拱頂處前方圍巖的預變形角度分析，可知合理的錨桿加固長度為6 m。

（3）玻璃纖維錨桿不同加固長度下掌子面拱頂處前方監測點應力變化如圖3 所示。由圖3 可以得出，隧道開挖后掌子面拱頂處前方應力重分布主要集中在距離掌子面10 m 范圍內。當錨桿加固長度大于6 m時，繼續增加錨桿加固長度對掌子面拱頂處前方監測點的豎向應力和水平應力控制效果不明顯，從這個角度分析，亦可知合理的錨桿加固長度為6 m。

根據以上分析結果可知：合理的錨桿加固長度為6 m，但根據經驗掌子面錨桿在Ⅴ級圍巖中的加固長度不應小于隧道跨度的一半（6.45 m），為保證掌子面有一定的安全系數，取掌子面錨桿的加固長度為8 m。

2.2 玻璃錨桿加固密度模擬分析

通過對工況MM-1～MM-7 的模擬計算，得到當開挖至30 m 目標斷面時，掌子面擠出位移變化、掌子面拱頂處前方位移及應力變化。

（1）玻璃纖維錨桿不同加固密度下的掌子面擠出位移曲線情況如圖4 所示。由圖4 可以看出，隨著錨桿密度的增加，掌子面擠出位移逐漸減小。β=0（掌子面無加固）時，掌子面最大擠出位移為27.5 mm；β=0.25 時，掌子面最大擠出位移為20 mm，相對于β=0 減少了約27.3%；β=0.5 時，掌子面最大擠出位移為17.5 mm，相對于β=0減少了約36.4%；β=0.75時，掌子面最大擠出位移為15.3 mm，相對于β=0 減少了約44.4%；β=1.0 時，掌子面最大擠出位移為14.2 mm，相對于β=0 減少了約48.4%；β=1.5 時，掌子面最大擠出位移為11.6 mm，相對于β=0減少了約57.8%；β=2.0時，掌子面最大擠出位移為9.8 mm，相對于β=0 減少了約64.1%。當錨桿加固密度大于0.75，繼續增加錨桿加固密度對掌子面的擠出變形控制效果逐漸減弱，且浪費材料，不經濟，從掌子面擠出位移角度分析，可知合理的錨桿加固密度為0.75。

（2）玻璃纖維錨桿不同加固密度下掌子面拱頂處前方監測點預收斂變形情況如圖5 所示。由圖5可以看出，隨著錨桿加固密度的增加，掌子面拱頂處前方監測點預變形量逐漸減小，并趨于穩定，預變形主要發生在距離掌子面10 m 范圍內。當錨桿加固密度大于0.75 時，繼續增加錨桿加固密度對掌子面拱頂處前方圍巖的預變形控制效果不明顯，從掌子面拱頂處前方圍巖的預變形角度分析，可知合理的錨桿加固密度為0.75。

（3）玻璃纖維錨桿不同加固密度下掌子面拱頂處前方監測點應力變化情況如圖6 所示。由圖6 可以看出，隧道開挖后掌子面拱頂處前方應力重分布主要集中在距離掌子面10 m 范圍內。當錨桿加固密度大于0.75時，繼續增加錨桿加固密度對掌子面拱頂處前方監測點的豎向應力和水平應力控制效果不明顯，從這個角度分析，亦可知合理的錨桿加固密度為0.75。

綜合以上數值分析結果可知：掌子面錨桿加固密度取0.75 時，既能滿足加固效果，又能取得良好的經濟效益。

3 結 論

（1）掌子面擠出位移在隧道中心附近處最大，并且掌子面擠出位移隨著隧道掌子面錨桿加固長度或錨桿加固密度的增加而逐漸減少。

（2）隧道開挖因受隧道拱效應的影響，預變形與應力重分布均主要發生在掌子面前方一倍洞徑左右范圍內，掌子面拱頂處前方變形隨著隧道掌子面錨桿加固長度或錨桿加固密度的增加而逐漸減小，而掌子面拱頂處前方應力隨著隧道掌子面錨桿加固長度或錨桿加固密度的增加而趨近于原始應力狀態。

（3）綜合考慮施工安全和經濟效益可選用加固長度8 m 和加固密度0.75 的掌子面錨桿作為穩定核心土的加固方案。