软弱堆积体隧道注浆范围与锁脚锚杆研究
潘文韬
【摘 要】 隧道穿越软弱堆积体会造成开裂掉块等现象因而有必要对软弱堆积体隧道展开研究。文章通过建立三维软弱堆积体-隧道模型，针对软弱堆积体隧道受力变形特征确定其合适经济的注浆范围，并对锁脚锚杆在堆积体隧道中的作用展开研究，相关结论如下：围岩变形与塑性区分布主要集中在软弱堆积体中，拱底处隆起，左右拱肩处产生较大沉降并向上传播至地表，开挖过程的拱顶沉降远大于施工结束时;针对软弱堆积体隧道的合理注浆范围为6m，继续扩大注浆范围在牺牲经济性的同时将造成拱顶沉降、拱底隆起以及围岩压应力的反弹;锁脚锚杆能抑制软弱堆积体隧道拱顶沉降及周边收敛。
【关键词】堆积体隧道; 数值模拟; 注浆范围; 锁脚锚杆
山岭隧道的建设将成为西部山区间沟通的纽带。目前我国西部正加速交通隧道的建设[1]，但在山岭隧道洞口段，由于断层、破碎带等的作用，会产生土质松散的堆积体，而将隧道直接穿越软弱堆积体会造成隧道变形大，漏顶，塌腔掉块等现象。因而有必要对隧道在洞口段穿越软弱堆积体展开研究，根据软弱堆积体隧道受力变形特征针对性的确定注浆范围以及增设锁脚锚杆。
在软弱堆积体隧道受力变形特征研究方面，严健[2]通过现场监测提出水平方向围岩成分是影响堆积体隧道围岩支护结构受力变形的主要因素;昝文博[3]通过有限元分析了堆积体隧道围岩支护体系随掌子面开挖的动态过程;谢亦朋[4]建立考虑抗拉强度与接触面单元的细观堆积体地层隧道来探究围岩变形破坏失稳过程。
在注浆范围与锁脚锚杆研究方面，汪煜烽[5]利用有限元软件模拟了不同注浆工况下的渗水机理，得出穿越断层破碎带的最优注浆参数与范围;王聪[6]通过渗流场与应力场耦合模型对富水隧道帷幕注浆范围进行比选;罗彦斌[7]通过现场实测发现锁脚锚杆受力较大因而发挥较大作用，其锚固效果却因长度与角度限制而不能充分发挥;宋秉元[8]通过数值模拟发现适当长度与倾角的锁脚锚杆能抑制围岩变位，充分发挥支护结构承载能力。
针对软弱堆积体隧道变形受力特征及注浆范围、锁脚锚杆均有相应的研究，但注浆范围以及锁脚锚杆的研究均未针对软弱堆积体隧道，未根据软弱堆积体隧道提出合适的注浆范围、探明锁脚锚杆的作用。有鉴于此，本文根据数值模拟，建立三维软弱堆积体模型，在其受力变形基础上，研究针对软弱堆积体的合理注浆范围及锁脚锚杆在软弱堆积体中的作用，为隧道在软弱堆积体的施工设计提供参考。
1 软弱堆积体隧道模型
数值计算模型的几何尺寸为84 m×75 m×50 m，在模型四周以及模型底部施加垂直约束。隧道处于软弱堆积体中，软弱堆积体与岩体的参数见表1，软弱堆积体与岩体的分界线在隧道拱底3 m的位置。
初支采用锚喷联合支护，混凝土强度等级为C20，厚度为0.20 m;锚杆在纵向错排，长3 m，环向间距为1.1 m、纵向间距为1 m;二次衬砌采用强度等级C30的模筑钢筋混凝土，厚度为0.6 m。数值模型中初期支护用shell单元，围岩、加固区、二次衬砌均是实体单元，锚杆、管棚、小导管通过Cable单元来模拟。注浆加固通过提升相应区域内围岩的力学参数进行模拟，围岩支护结构符合mohr-coulomb屈服准则以及弹塑性体基本假设。
本次模型见图1，数值模拟时施工工法采用CD法（图2），掌子面开挖2 m后施作初支，回填在仰拱初支施作后9 m进行，二衬在回填后10 m施作，临时支护的拆除长度为5 m。
超前预加固采用帷幕注浆+大管棚联合加固方案[9-11]，初定帷幕注浆的范围为隧道左、右上侧各5 m，隧道下方3 m的矩形区域（图3），采用环距为40 cm、外插角为5°、纵向长度26 m、搭接长度3 m的108 mm大管棚。
2 数值模拟结果
2.1 软弱堆积体隧道受力变形特征
2.1.1 围岩变形
围岩水平、竖向变形见图4、图5。受施工工法影响，围岩水平位移存在一定非对称现象，最大水平位移出现在拱腰处。由于隧道处于软弱堆积体中，软弱堆积体下部为岩体，岩体产生变形较小，围岩变形主要集中在软弱堆积体中，拱底处隆起，左右拱肩处产生较大沉降，并向上传播，在隧道上部及地表一定范围内产生沉降变形。
2.1.2 二衬应力
二衬的应力状态常作为判断隧道稳定的依据。提取二衬的最大最小主应力见图6、图7。从结果中看出，压应力主要集中于拱顶，而在拱脚以及拱腰位置会存拉应力，因而在施工过程中可能会造成边墙的开裂变形，需加强防护。
2.1.3 塑性区分布
隧道施工结束后周边围岩的塑性区见图8，从塑性区分布可看出，在隧道拱顶上方及拱底下侧塑性区较广泛，隧道两侧塑性区较少。隧道拱腰处及拱底少量部位存在过张量剪切破坏的塑性区。软弱堆积体下侧的岩体较为坚硬基本不存在塑性区，而软弱堆积体处存在较为广泛的塑性区。
2.2 帷幕注浆范围研究
合适的帷幕注浆范围可以在控制围岩变形的同时达到较好的经济性，因而有必要针对软弱堆积体确定其合理注浆范围。设置三组不同注浆范围方案见表2，每组下侧注浆范围均为3 m。
提取不同注浆范围方案的拱顶沉降（图9）、拱底隆起（图10）、右上拱腰收敛（图11）、右下拱腰收敛（图12）。
提取不同注浆范围方案的围岩变形应力、初支二衬应力、锚杆管棚受力变形汇总见表3。综合图9～图12以及表3结果可得：
（1）拱顶沉降出现回弹，施工结束后的拱顶沉降数值远小于开挖过程的拱顶沉降，在施工過程中需引起注意;上侧拱腰收敛数值要大于下侧拱腰并且拱腰处的水平收敛数值较拱顶拱底处竖向位移要大得多。
（2）帷幕注浆范围扩大能较为显著减小围岩水平位移与拉应力、初支二衬应力、锚杆管棚受力变形与隧道周边收敛，但注浆范围扩大1 m到2 m的过程中提升效果减慢。
（3）注浆范围加宽2 m相比1 m拱顶沉降与拱底隆起不减反增，围岩压应力也出现反弹，在增大注浆范围牺牲经济性的同时未能达到较大效果，因而帷幕注浆范围不能无限增大，堆积体隧道模型最终采用下侧注浆范围为3 m，左、右上侧注浆范围为6 m，为堆积体隧道注浆范围的选择提供参考。
2.3 锁脚锚杆效果研究
考虑到软弱堆积体隧道周边收敛较大，围岩变形较难控制，对支护结构的锚杆体系进行优化，增设锁脚锚杆，锁脚锚杆采用直径为70 mm的钢花管，长度为3 m，在CD法中台阶及回填土左右各设置两根锁脚锚杆，两根锚杆的倾角分别为15°和30°。锚杆设置如图13所示。
提取是否设置锁脚锚杆时的拱顶沉降（图14）、拱底隆起（图15）、右上拱腰收敛（图16）、右下拱腰收敛（图17）。
提取是否增设锁脚錨杆时的围岩变形应力、初支二衬应力、锚杆管棚受力变形汇总见表4。
综合图14～图17以及表4结果可得：增设锁脚锚杆后，除围岩压应力外，对围岩变形、围岩拉应力、初支二衬应力以及锚杆管棚受力变形均有可观的改善，其中对围岩水平位移、初支拉应力、锚杆应力改善效果明显。同时增设锁脚锚杆是期望能有限控制围岩支护结构变形，特别是收敛情况，而从曲线图中可以看出，增设锁脚锚杆对拱顶沉降、周边收敛有可观的改善，考虑到锁脚锚杆成本相对不高，因而在软弱堆积体中增设锁脚锚杆具有较强的现实意义。
3 结论
本文通过建立三维软弱堆积体-隧道模型，研究软弱堆积体隧道受力变形特征，并针对堆积体隧道特征确定其合适的帷幕注浆范围，在有效控制围岩支护结构受力变形的同时达到经济性最佳，最后对锁脚锚杆在软弱堆积体隧道中的作用进行了研究，相关结论如下：
（1）围岩变形与塑性区分布主要集中在软弱堆积体中，拱底处隆起，左右拱肩处产生较大沉降，并向上传播至地表，塑性区主要集中于隧道上下位置。压应力主要集中于拱顶，而在拱脚以及拱腰位置会存在拉应力。
（2）开挖过程的拱顶沉降要远大于施工结束时，上侧拱腰收敛要大于下侧拱腰并且拱腰处的水平收敛较拱顶拱底处竖向位移要大得多。
（3）注浆范围的扩大能有效控制软弱堆积体隧道受力变形，针对软弱堆积体隧道的合理注浆范围为6 m，继续扩大注浆范围在牺牲经济性的同时将造成拱顶沉降、拱底隆起以及围岩压应力的反弹。
（4）在各台阶处增设锁脚锚杆可以有效控制软弱堆积体的拱顶沉降与周边收敛，并对围岩水平位移、初支拉应力、锚杆应力也有较大程度改善。
参考文献
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