隧道横断面精细分区下系统锚杆布设最优组合

张 力, 董兴舒, 孙建光, 傅鹤林

(1.中交第四公路工程局有限公司, 北京 100022； 2. 中南大学土木工程学院, 长沙 410075)

随着经济的高速发展,中国对于交通建设的要求不断提高,公路隧道以每年960 km左右的增长速度位于世界首位[1]。隧道建设的安全性和经济性作为设计施工的两大控制指标,如何在保证安全性的前提下控制投资成本一直是广大学者孜孜以求的目标[2-4]。隧道建设中复合式衬砌被广泛使用,系统锚杆作为其重要组成部分。然而,针对系统锚杆的研究仍处于探索阶段,在隧道设计中工程类比法作为主流设计方法,使得隧道设计受荷特征与现场时效匹配不足,多造成工程风险或资源浪费[5-7]。

目前对于隧道系统锚杆方面的研究,部分学者认为隧道可以全部取消系统锚杆,以减少施工工序使隧道支护尽早封闭产生作用；另一种认为系统锚杆不可取消,但在一定条件下可以对锚杆长度、直径、间距等参数进行优化。陈建勋等[8-9]通过现场测试和统计分析研究了土质隧道系统锚杆受力特征,结果表明,钢架支护条件下系统锚杆对土质围岩隧道作用不大；在石质围岩隧道方面,黄海昀等[10]研究表明在石质围岩隧道系统锚杆未发挥作用,并对无系统锚杆支护条件进行数值模拟验证后在现场进行推广。

在软弱围岩和坚硬完整围岩之间的隧道往往不能采取直接取消系统锚杆的极端优化方案,对系统锚杆参数进行优化成为主要途径。很多专家学者通过现场试验和数值模拟对系统锚杆进行研究,主要成果有：荣耀等[11]研究表明在保证隧道拱架、喷射混凝土等初期支护效果的前提下可适当弱化系统锚杆参数；宋远等[12]在土砂围岩隧道中研究了系统锚杆作用机理,表明隧道拱部可取消或减少系统锚杆；徐国等[13]在重庆地铁四号线中研究了系统锚杆受荷特征,通过模拟预留核心土双侧壁导坑法的施工过程对系统锚杆长度和间距进行了优化。

上述研究对系统锚杆参数优化较为系统,对于系统锚杆不可取消的情况下支护参数如何优化提出了诸多方案,但均为整体横断面的统一优化,对于隧道横断面能否进行分区精细优化方面研究较少。现对香树坳左线隧道横断面进行分区,基于数值模拟对各区域的系统锚杆参数敏感性差异进行研究,得出各区域系统锚杆长度、直径、环向间距、横向间距的敏感性排序,为隧道初期支护精细优化提供依据和参考。

1 工程概况

1.1 地形地貌与水文条件

贵州江玉高速香树坳隧道位于贵州省闵孝镇,如图1所示,该隧道为分离式双洞隧道,单洞设计为10.25 m×7.10 m,两洞相距32 m,左线起止里程桩号ZK7+560～ZK9+225,长1 665 m,隧道路面进口设计高程515.04 m,出口设计高程560.93 m。隧址区地处云贵高原向湘西丘陵过渡的斜坡地带,属低山构造溶蚀侵蚀地貌。线路总体地势西北低,东南高,最高点位于马章岭顶部,高程为826 m,轴线地面最低处位于隧道进口,高程为515.40 m,相对高差310 m。

1.2 工程地质特性

据工程地质测绘及初勘钻探揭露,隧址区的地层为:上覆为第四系松散残坡积成因的黏土及崩坡积成因的块石土,底部基岩为寒武系下统变马冲组页岩、寒武系下统变清虚洞组灰岩、寒武系下统杷榔组钙质页岩。

1.3 支护参数及施工工法

隧道按新奥法施工原理进行洞身结构设计,支护采取复合式衬砌。本文以香树坳隧道左线ZK8+888断面为研究对象,该断面围岩等级为Ⅳ级,岩层产状为358°∠39°。由图2可知,初期支护采用C25喷射混凝土(厚度20 cm)、φ20 mm药卷锚杆(长度3.0 m)间距80 cm×120 cm(纵×环)、φ6.5 mm钢筋网(间距25 cm×25 cm)、拱架采用I16(间距80 cm)、预留变形量8 cm,防水层采用350 g/m2无纺土工布及防水板,二次衬砌采用40 cm厚C30素混凝土。

图2 隧道支护方案

由图3可知,施工采用上下断面正台阶法施工,上下台阶间距为(1～1.5)B(B为隧道洞跨)属于短台阶上开挖。

图3 短台阶法开挖

2 系统锚杆主控因素分析

2.1 试验设计

2.1.1 正交试验设计

正交设计试验是研究多因素多水平的一种试验设计方法,根据正交性均匀挑选出部分代表性试验进行研究,可以达到减少试验次数并能很好反映试验现象。系统锚杆对隧道支护效果影响因素众多,目前常见的因素有锚杆长度、直径、环向间距、纵向间距。考虑到其他未知因素和误差,本文选用L16(45)正交表进行试验,正交试验因数水平如表1所示,其中空白因素代表未知因素与误差总和,可作为衡量未知因素与误差对试验的影响程度。

表1 支护参数正交设计水平

2.1.2 隧道分区

根据隧道断面将隧道横断面划分为左拱腰、左拱肩、拱顶、右拱肩、右拱腰5个分区,每个分区角度为43°,隧道分区如图4所示。对每个分区单独进行一套L16(45)正交试验,数值计算时不施加研究区域外的系统锚杆,评定各区系统锚杆对隧道围岩沉降的影响。

s为系统锚杆环向间距；l为系统锚杆长度

2.2 模型建立与计算参数

为研究系统锚杆主控因素差异性,选取香树坳隧道左线ZK8+888断面,采用有限元软件对隧道进行数据建模计算。隧道岩层考虑节理,因此围岩采用遍布节理模型,初支喷射混凝土概化为实体并采用摩尔库伦模型,开挖区域定义为空模型,系统锚杆和锁脚锚杆采用Cable单元,钢拱架采用Beam单元。如图5所示,隧道左右两线间距为32 m,大于3倍洞跨可忽略两洞间影响,计算时做单洞考虑。隧道模型尺寸为62.5 m×50.2 m×50 m(长×宽×高),模型四周边界施加法向位移约束,模型底部限制竖向位移,同时四周施加初始应力边界条件,未考虑的188.75 m上覆岩层等效为均布应力作用于模型顶部。通过Rhinoceros软件结合Griddle插件建立模型并划分网格,最终导入Flac3D进行隧道开挖计算,模型共生成298 272个网格单元,186 652个节点。

表2 正交试验设计表

图5 数值模型图

依据《公路隧道设计细则》(JTA/T D70—2010)、《公路隧道设计规范》(JTA 3370.1—2018)以及设计院提供的资料,数值模拟计算参数如表3所示。

表3 数值计算参数

2.3 计算结果

在模拟隧道开挖过程中,按照合理开挖工序,采取短台阶开挖方式,上下台阶间距12 m,每步开挖2.4 m,开挖完成后进行系统锚杆、锁脚锚杆、钢拱架的布设,最后喷射混凝土的实现。按照此顺序直至隧道开挖完毕,最终得到隧道围岩最大沉降值。

按照香树坳隧道施工与支护参数对设计工况进行数值仿真计算,对比计算结果与现场实测数据。根据结果选取三个较为典型数据进行对比拟合,如图6所示,在香树坳隧道ZK8+888断面拱顶沉降、左拱肩拱架应变和左拱腰拱架应变的数值仿真结果与现场实测数据吻合良好,现场实测数据与数值仿真结果之间变化趋势一致,且最终稳定结果接近,验证了数值仿真模型的可靠性。

图6 隧道监测曲线

对试验数据进行整理,并利用正交试验极差分析方法处理数据。极差分析不考虑各因素之间相互影响,认为每个因素是独立,可以根据极差结果大小判断出系统锚杆各因素对围岩沉降敏感度,极差结果越大对结果影响越大,同时可以得出最优因素水平组合。

如表4所示,左拱腰环向间距极差最大,纵向间距极差最大,表明左拱腰区域系统锚杆环向间距对围岩沉降影响最大,纵向间距对围岩沉降影响最小。左拱腰影响隧道拱顶围岩沉降的系统锚杆主次顺序为:C-B-E-A-D；隧道左拱肩系统锚杆影响拱顶围岩沉降敏感度排序为A-D-B-C-E；而在隧道拱顶处C-A-B-E-D五个因素对拱顶围岩沉降的影响依次降低；在右拱肩处系统锚杆对拱顶围岩沉降影响次序为:D-C-B-E-A；隧道右拱腰处系统锚杆参数对围岩沉降影响次序为D-C-A-B-E。根据不同参数各区域敏感度数值总和,整体而言环向间距>纵向间距>直径=长度,其中锚杆长度敏感度相比于锚杆直径在各分区变化较大。数值仿真结果与凌同华等[14]关于浅埋偏压隧道中系统锚杆环向间距敏感性大于系统锚杆长度基本一致；同时与韩秀等[15]基于全断面整体研究的系统锚杆参数敏感性研究结果中的直径>环向间距>纵向间距>长度的结论有所差异,表明分区下的系统锚杆参数敏感性研究更为精细化。

表4 沉降极差分析结果

将各区域系统锚杆参数敏感度排序,如图7所示,敏感性越高数值越大,空白因素对于拱顶围岩沉降的影响敏感度除左拱腰外,其余区域都小于3,表明试验误差与其他未考虑的因素对本次正交试验的影响较小,可以不做考虑。隧道各区域系统锚杆的直径对隧道变形影响敏感度除右拱腰处都小于4,因此可适当选择小直径系统锚杆,节约隧道建设资金投入,将资金加强其他敏感度较高的系统锚杆参数上。环向间距在拱顶和左拱腰处对隧道拱顶围岩沉降影响的敏感度最大,锚杆长度在左拱肩对拱顶围岩沉降影响程度最大；而纵向间距在右拱肩和右拱腰处对隧道拱顶围岩沉降的影响最大,环向间距次之,因此在隧道设计和施工中应避免在各区域随意改变系统锚杆最敏感因素,防止隧道发生较大变形而造成危险。

图7 区域敏感度排序

如图8所示,正交试验设计结果表明,隧道左拱腰最优因素水平组合为A1B2C2D1；左拱肩和拱顶最优组合都为A4B4C1D3,而右拱肩A1B2C2D4为最优组合,在左拱腰处A4B2C3D3为最优组合。

图8 区域最优组合

2.4 系统锚杆全断面最优组合效应分析

根据正交试验结果,对各区域系统锚杆最优组合进行全断面布设,研究初期支护下系统锚杆受载特征与设计工况之间的差异。

图9结果表明,研究断面上台阶开挖和下台阶开挖两个阶段隧道围岩竖向位移均呈非对称分布,左侧位移较右侧大,竖向沉降在拱顶处最大；拱顶系统锚杆向下沉降位移较大,在拱腰处系统锚杆主要为向上的竖向位移,且左拱腰系统锚杆向上的竖向位移最大；随着隧道不断掘进,竖向沉降逐渐增大,且在两个阶段的设计工况最大沉降大于最优组合工况,最优组合工况在隧道开挖过程中能更好控制围岩应变。如图10所示,研究断面上台阶开挖和下台阶开挖两个阶段围岩最大主应力与围岩竖向位移分布相似,在隧道两侧呈均似对称分布,右侧围岩最大主应力较左侧大；随隧道不断掘进,围岩最大主应力逐渐增大,设计工况与最优组合工况均增加了2倍以上；系统锚杆最大主应力中间大,杆端较小,拱顶与拱肩处系统锚杆受力明显大于拱肩处,符合现有认知。设计工况与最优设计工况围岩竖向位移与最大主应力分布云图一致,仅在数值上存在差别,系统锚杆参数改变只会改变围岩受载特征最大值,对于受载特征分布影响较小。

图9 围岩竖向位移云图

图10 围岩最大主应力云图

为进一步分析最优组合与设计工况受载特征差异,经过统计得到最优组合与设计工况受荷特征极值结果如表5所示。除拱架最大沉降位移外,最优组合系统锚杆较设计工况在围岩、拱架、锚杆的最大沉降和最大主应力都有所减小。其中系统锚杆竖向沉降改善较其他沉降最为明显,比设计工况减小了0.277 9 mm,为设计工况的3.76%,这主要由于在拱顶处增加了系统锚杆长度使得上部围岩自承能力较设计工况高。同样最大主应力方面也是系统锚杆最大主应力差值最为明显,达到了1.1 MPa,系统锚杆最大主应力差值变化率为拱架的3.17倍。表明系统锚杆的最优组合对其本身的受荷特征参数改善较大,对于隧道围岩与拱架改善较小。

表5 受载参数差值分析

3 结论

目前在解决工程类比法设计与现场施工难以匹配良好的问题上,系统锚杆设计与优化在工程实际中产生分歧与矛盾。为提高隧道初期支护系统锚杆优化精细度,本文以贵州江玉高速香树坳隧道为依托,利用数值模拟对系统锚杆进行分区研究,明晰围岩沉降对各区域系统锚杆长度、直径、环向间距、纵向间距等参数敏感度差异。研究结果表明:

(1)系统锚杆长度、直径、环向间距、纵向间距为围岩变形的主要影响因素,对于其他潜在因素和试验误差对围岩变形影响较小并可忽略。

(2)结合敏感度数值,整体而言环向间距>纵向间距>直径=长度,其中锚杆长度相比于锚杆直径在各分区变化较大。在对系统锚杆进行参数优化时调整环向间距与纵向间距最为有效,由于锚杆长度在不同区域敏感度波动较大,应避免对锚杆长度进行改变。

(3)改变系统锚杆参数对围岩和支护构件应力应变分布特征影响较小,而对其应力应变极值影响较大。

(4)改变系统锚杆参数对改善其本身受荷特征改善大于对周边围岩和其他支护构件,系统锚杆本身受荷特征改善效果最大可达周边围岩和其他支护构件改善效果的3.17倍。