摘 要：為了獲得合理的淺埋軟弱圍巖隧道掌子面錨桿加固參數，基于理論分析與數值模擬相結合的手段，對黏土地層淺埋隧道掌子面錨桿的加固參數進行研究。結果表明：1)基于相關規范要求，并考慮圍巖擾動區及塑性區分布，掌子面錨桿的合理加固長度應取值為18 m;2)考慮掌子面錨桿加固的安全性與經濟性，其加固根數為150根(1根/m2)時最優;3)采用中部圓形的方案布設掌子面錨桿，其加固效果與全斷面加固基本一致，且比全斷面加固更具經濟性。

　　關鍵詞：軟弱圍巖隧道;掌子面錨桿;圍巖變形控制;加固參數

　　Abstract: To obtain the appropriate reinforcement parameters of face bolt in shallow buried tunnel, the reinforcement parameters of face bolt were studied in this paper based on theoretical analysis and numerical simulation. The results show that: 1) The ap-propriate length of face bolt should be determined as 18 m by considering the distribution of disturbed zone, plastic zone of sur rounding rock, and requirements of technique specification. 2) The optimal number of face bolt is taken as 150 (1 bolt/m2) by considering the safety and economy of face bolt reinforcement. 3) The centra-round plan is adopted to arrange the face bolt, resulting in the identical reinforcement effects, while more economical than that of full section reinforcement.

　　Keywords: soft stratum tunnel; face bolt; deformation control of surrounding rock; reinforcement parameter

　　隨著我國交通設施建設規模的不斷增長，隧道建設呈現欣欣向榮之勢。在隧道工程建設中，由于地質環境的限制及隧道技術標準的提高，出現了大量的淺埋軟弱圍巖隧道。軟弱圍巖具有強度低、變形量大、變形速率快、變形持續時間長等特點[，在軟弱圍巖地層中開挖隧道，圍巖極易產生大變形，甚至造成隧道坍塌，嚴重影響隧道建設的安全和工期。因此，淺埋軟弱圍巖隧道修建過程中的圍巖變形控制是一個亟待解決的技術難題。

　　Lunardi認為隧道開挖引起的圍巖變形主要受掌子面前方核心土強度的影響，當采取適當的預加固措施(如掌子面錨桿)對掌子面超前核心土進行加固后，圍巖變形也隨之得到控制。因此，國內外專家學者基于理論分析、室內試驗和數值模擬等手段，對掌子面錨桿預加固技術進行了研究。陳濤等[3]以新意法為理論基礎，利用有限元軟件研究了玻璃纖維增強塑料(glass fiber reinforced plastics，GFRP)筋作為掌子面錨桿時對地層開挖變形的抑制作用，研究發現，GFRP錨桿能有效提高掌子面前方核心土強度，從而控制因開挖引起的地層形變。師曉權等[1通過室內大比例尺相似模擬試驗研究了軟弱圍巖隧道修建過程中掌子面錨桿的作用特點及機制。

　　Li等[5]利用數值模擬方法研究了掌子面錨桿加固長度、加固密度、加固范圍及軸向剛度等因素對軟巖隧道掌子面穩定性的影響，得到了部分掌子面錨桿的加固參數。Kitchah等[]采用有限差分法分析對比了掌子面錨桿與隧道護拱的加固效果，結果表明，掌子面錨桿在控制隧道拱頂沉降上優于隧道護拱。陳崢等[1基于極限分析上限法與綜合強度折減法分析了影響掌子面穩定性的因素，結果表明，掌子面錨桿在提高圍巖穩定性方面效果顯著。王輝等[]基于典型基坑案例，采用數值模擬研究了在不同錨桿自由段長度下滑移面的變化規律及滑移機制。范秋雁等[0和崔向東等[10)采用現場試驗及數值模擬方法研究了錨桿的受力及變形機理，為建立錨桿錨固體的力學模型提供了依據。

　　綜合分析上述研究成果可知，學者們對掌子面錨桿的作用機理、加固效果及加固參數等進行了系列研究，并取得了諸多研究成果。但總體而言，目前針對淺埋軟弱圍巖隧道掌子面加固技術的研究甚少，研究手段單一，尚未提出系統化的加固參數。基于此，本文采用理論分析方法，建立淺埋軟弱圍巖掌子面破壞模式，確定掌子面錨桿加固長度;結合數值模擬手段，對淺埋軟弱圍巖隧道掌子面錨桿的加固長度、加固根數及加固范圍進行系統研究，旨在形成淺埋軟弱圍巖隧道掌子面錨桿預加固技術。

　　1工程背景

　　云南省某單洞雙線鐵路隧道全長855 m，設計時速為200 km/h，隧道拱頂埋深為10~28 m，最大開挖跨度為15.0m，開挖高度為12.0m，隧址區屬高原丘陵-中低山區地貌，地勢平坦。隧道洞身圍巖主要由粉質黏土與黏土組成，圍巖級別劃分為V級，屬于淺埋軟弱圍巖隧道。

　　隧道支護采用復合襯砌結構。初期支護為噴錨支護，主要由系統錨桿、噴射混凝土及鋼拱架組成，其中系統錨桿為425組合中空錨桿，噴射混凝土為25 cm厚的C20混凝土，鋼拱架為122b單層鋼拱架。

　　隧道二襯采用C35混凝土澆筑，厚度為65 cm.

　　圍巖及支護參數見表1，隧道開挖輪廓如圖1所示，在后續的分析中，隧道埋深取值為10m

　　2 淺埋軟弱圍巖隧道掌子面錨桿加固長度

　　2.1 淺埋軟弱圍巖掌子面破壞模式分析

　　基于Davis掌子面破壞模式[1]，建立軟弱圍巖地層隧道掌子面破壞模型，如圖2所示。圖中，CD為掌子面，梯形ABCE和等腰三角形ECD為受擾動圍巖。

　　由于掌子面錨桿僅在隧道開挖高度范圍內垂直 于掌子面平行布設，因此本文對圖2中的模型進行 簡化，只研究掌子面高度范圍內的圍巖穩定性，并將上覆土層簡化為作用在隧道上方的荷載σs，得到如圖3所示的掌子面破壞模型，圖中其他參數與原模型相同。

　　2.2基于理論解析的掌子面錨桿長度分析

　　要使錨桿起到加固效果，則錨桿應穿過破裂面，進入穩定圍巖一定深度，在圖3中，隧道掌子面的破裂面為折線FED，基于以上分析，結合依托工程實際情況，采用理論方法對掌子面錨桿加固長度進行研究。隧道高度H=12 m，隧道埋深M=10m。由幾何關系求得破裂面最大深度為

　　鑒于在隧道工程中沒有相關規范對錨桿的錨固參數進行說明，并且考慮隧道掌子面支護與建筑基坑支護具有一定相似性，因此，本文依據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120-2012)[2]，將錨桿進入穩定圍巖的錨固長度取為1.5 m，得到隧道拱頂掌子面錨桿的最小理論加固長度為1>lc+1.5=16.9 m;基于安全考慮，掌子面沿隧道高度分布的錨桿長度統一取值為1=17 m.

　　2.3基于數值仿真的掌子面錨桿長度分析

　　1)計算模型建立

　　本文利用有限差分軟件FLAC進行掌子面錨桿加固參數研究。考慮邊界效應[121]的影響，模型尺寸取為74.5 m ×60 m×51 m，其中模型頂部取至地表，并且不施加任何約束，左右兩面施加水平位移約束，底部同時施加水平及豎向位移約束。數值模型如圖4所示，圍巖與初支的力學參數見表1。

　　為了消除邊界效應的影響，取隧道掘進方向20m處的截面作為目標面，通過分析在距目標面不同距離處開挖時，目標面的擠出位移變化規律以及洞周塑性區分布特點，以確定合理的錨桿長度。

　　2)計算結果分析

　　隨著隧道掘進，目標面的擠出位移變化規律如圖5所示。可以看出：隧道掌子面距離目標面越遠，目標面擠出位移越小;在距離目標面約16m處開挖時，目標面的擠出位移已不足最大擠出位移的1/10，因此可以認為，當掌子面距離目標面16m及以上時，目標面處圍巖屬于未擾動圍巖。

　　圖6為隧道開挖后未布設掌子面錨桿時的塑性區分布情況。可以看出，隧道掘進方向的塑性區最大分布深度為18 m(隧道掘進方向網格尺寸為1 m/格)。

　　掌子面錨桿的加固長度既應滿足規范要求，也應滿足穿過塑性區進入未擾動區的要求。因此，綜合理論分析與數值計算結果，確定該隧道掌子面錨桿的加固長度為18m

　　此外，掌子面的擠出位移分布如圖7所示，可以看出，目標面擠出位移呈圓形分布，且最大擠出變形發生在掌子面中部偏下區域。

　　3淺埋軟弱圍巖隧道掌子面錨桿加固根數

　　由圖3可知，要防止掌子面發生擠出破壞，則掌子面錨桿提供的水平支護力應不小于。。因此，本節基于掌子面最小支護力。，計算得到保持掌子面穩定所需的錨桿根數;并結合數值分析方法，討論不同錨桿根數工況下的加固效果，最終確定最優的錨桿根數。

　　3.1 基于極限分析上限法的掌子面水平支護力上限解

　　結合計算模型(圖2)，在虛功率原理的基礎上，采用極限分析法[13]推導得到掌子面水平支護力上限解。

　　由圖2中的幾何關系計算可得塊體1(SAE)與塊體2(ScoE)的面積分別為。

　　1)外荷載功率

　　外荷載功率包括掌子面水平支護力(o)的功率和土體重力功率。其計算式為

　　3.3 基于數值仿真的掌子面錨桿根數分析

　　基于掌子面錨桿理論加固根數，結合數值模擬對比分析掌子面錨桿根數為77、90，112.150，187根這5種工況下的加固效果，確定合理的掌子面錨桿加固根數。計算模型與錨桿參數均同上文。

　　各工況的加固效果如圖8與表4所示。由計算結果可知：各工況下的擠出位移曲線趨勢一致，均有效地抑制了掌子面擠出位移;當錨桿根數小于150根時(工況1~3)，隨著錨桿數量增加，加固效果逐漸提高，但差異不明顯;當錨桿數量增加至150根時(工況4)，加固效果有較大改善，但錨桿根數繼續增至187根時(工況5)，加固效果與工況4相比無較大改變。綜合考慮掌子面的安全性與工程經濟性，本文將掌子面錨桿根數取為150根，加固密度約為1.0根/m".

　　4 淺埋軟弱圍巖隧道掌子面錨桿加固范圍

　　基于2.3節中的研究成果可知，在全斷面法開挖過程中，隧道掌子面的擠出位移呈圓形分布，最大擠出位移發生在掌子面中部偏下區域。在實際工程中，通常采用全斷面布設掌子面錨桿的方案進行加固，加固效果雖然理想，但是經濟性欠佳。為獲得既滿足掌子面安全性又具備經濟性的加固范圍，本節利用數值模擬討論了上部加固、下部加固及中部圓形加固這3種非全斷面布設方案的加固效果。為保證單一變量，3種非全斷面布設方案的加固面積均為掌子面面積的1/2，且錨桿加固密度均為1.0根/m2，計算模型及錨桿計算參數均同上文。錨桿布設示意圖如圖9所示。

　　圖10為5種工況下目標面的擠出位移曲線，各工況下目標面的最大擠出位移也標于圖中。由圖10可知：上部加固與下部加固均只對加固區域的擠出位移量有一定的控制作用，最大擠出位移控制率分別為14.0%和40.8%，對未加固區域的加固效果不明顯;中部圓形加固對整個掌子面的擠出位移均有較好的抑制作用，最大擠出位移控制率約為51.6%并且中部圓形加固的掌子面擠出位移曲線形式與全斷面加固時的掌子面擠出位移曲線形式一致。考慮安全性與經濟性，中部圓形加固為最佳布設方案。

　　5結論

　　本文以云南省某淺埋軟弱圍巖隧道工程為背景，采用理論分析與數值模擬相結合的手段，對淺埋軟弱圍巖隧道掌子面錨桿的加固參數進行了研究，主要結論如下：

　　1)基于理論分析方法，建立了淺埋軟弱圍巖隧道掌子面破壞模式;結合數值分析中隧道開挖后掌子面前方圍巖的擠出位移和塑性區分布深度，確定掌子面錨桿合理加固長度為18m.

　　2)采用極限分析法，推導得到掌子面水平支護力上限解;考慮掌子面的穩定性及工程的經濟性，結合數值模擬方法，確定依托工程的掌子面錨桿加固根數為150根，即加固密度為1.0根/m。該加固密度可為相似工程掌子面錨桿的設計提供依據。

　　3)相較于上部加固、下部加固及全斷面加固，在隧道掌子面中部圓形部位加固既能有效控制整個掌子面的擠出位移，又能減少錨桿用量，在實際工程中時應優先選擇中部圓形加固方案。

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