纤维锚杆预加固在大断面隧道中的应用研究

纤维锚杆预加固在大断面隧道中的应用研究周捷1、席锦州1、漆泰岳2、（1四川路桥勘察设计公司，成都610041；2.西南交通大学土木工程学院，成都610031）摘要：岩土控制变形分析法（ADECO-RS）强调工作面前方超前核心围岩的稳定性，认为核心围岩的失稳是隧道的塌方、失稳的诱导原因。该工法适用于低粘聚力的软弱地层中大断面隧道开挖，采用纤维锚杆对超前核心围岩进行预加固是其主要的施工特点。本文以浏阳河隧道为背景，研究了不同加固参数对掌子面稳定性的影响，研究结果成功用于浏阳河隧道河底段的施工。关键词：超前核心土掌子面纤维锚杆预加固TheResearchonPre-reinforcementwithFibreBoltinTunnelWithLargeCross-sectionZhouJie,XiJinzhou,QiTaiyue（1.SichuanRoadandBridgeDesignCorporation,Chengdu610041;2.SchoolofCivilEng,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031）Abstract:ADECO-RSmethodemphasizethestabilityoftheadvancecoreinfrontofthefaceandconsidertheadvancecorelosingstabilityistheinducingcausationofrockfallintunnels.Thismethodapplytotunnelwithlargecross-sectioninsoftground,pre-reinforcingtheadvancecorewithfibreboltistheprimaryfeature.TheresearchcombinedwiththeConstructionofLiuyangRivertunnelsandstudytheinfluenceonthecuttingfacestabilitywithdifferentpre-reinforcementparameter,themethodisusedinLiuyanghetunnelandobtainedthesuccess.Keywords:,advancecore,thecuttingface,fibrebolt,pre-reinforcement1引言根据铁道部中长期规划，到2020年，我国客运专线营运里程将达到12000公里，客运专线上的隧道建设将迎来新的高潮。为了能够大幅度的提高隧道施工机械化的水平，使隧道施工安全，经济，快速高效，现在大断面隧道的施工逐步趋向于采用全断面法或全断面短台阶法。因此，在我国的客运专线隧道建设中，应该适应这个趋势。随着断面尺寸的增大，掌子面的稳定成为了隧道开挖稳定性的控制性因素之一。如何在地质条件复杂、自稳能力差的软弱围岩中，实现隧道安全、稳定、高效的全断面掘进，是各国隧道界亟待解决的问题。意大利的PietroLunardi教授通过对1000多例隧道的研究,，在研究围岩的压力拱理论和新奥法施工理论的基础上，总结提出了岩土控制变形分析法（ADECO-RS），首先证实了：掌子面-核心土的刚度和强度与隧道的各种变形、破坏之间存在着密切的关系，隧道塌方总是发生在核心土体滑动之后，掌子面前方核心土的刚度是控制隧道开挖稳定的关键；通过对掌子面-核心土体系进行加固，控制开挖后岩体的变形，可以明显提高施工中的稳定性。图1掌子面稳定性分类2纤维锚杆简介在目前的锚固工程中，通常采用抗拉强度高的钢材作为锚杆拉杆，如钢绞线、高强度钢丝或者高强度螺纹钢筋等。而要在隧道工程中使用锚杆对掌子面前方核心土进行加固，此时就需要锚杆具备一些特殊的性能：抗拉强度高、横向抗剪强度低，才能在开挖过程中较为顺利的加固围岩并去除已开挖部分的锚杆。表1玻璃锚杆力学特性特性范围值纵向横向抗拉强度（N/mm2）140—70030—70拉伸应变(%)22抗压强度（N/mm2）150—40070—100冲击强度（KJ/m2）80—12560—100温度膨胀系数(/℃)12×10-618×10-6比重（g/cm3）1.5—2.1玻璃重量含量(%)40—80玻璃纤维(GFRP)锚杆是以玻璃纤维为增强材料，以合成树脂等为基体材料，并掺入适量辅助剂(如交联体、引发剂、促进剂、蚀变剂、阻燃剂、阴聚剂、填料、颜料等等)经挤拉成型技术和必要的表面处理而形成的一种新型复合材料。它具有比强度(强度重量比例)高、耐腐蚀性能好、可设计性强、抗疲劳性能好等独特优点，而且它抗拉强度高、温度膨胀系数和岩石相似、重量轻等，既能满足隧道掌子面的超前预加固要求，又能满足掘进设备的切割围岩的要求。3数值模拟3.1工程背景浏阳河隧道位于长沙市星沙区，是武广高速客运专线控制性工程，下穿浏阳河河底，该段全长362m，河堤处隧道埋深30.5～36.9m，河底段隧道埋深为19.2～23.8m。过浏阳河隧道段的隧道毛洞的尺寸为：B×H＝15×13.48m。3.2计算模型运用岩土工程计算软件FLAC3D进行数值模拟。土体参数根据勘察报告中的数据选取，材料本构关系采用Mohr-Coulomb模型。模型宽度100m，模型高度60m，纵向长度40m。即：宽×高×深＝X×Z×Y＝100m×60m×40m。河水按最高洪水位13.5m考虑，等效作用0.135MPa的水压力。隧道的开挖宽度为15m，开挖高度为13.48m，开挖面积近160m2。数值模拟模型如图2所示。图2计算模型为了确保隧道在穿越浏阳河过程的工程安全，拟采用与常规超前预加固不同的工法：在隧道轮廓线以内超前打长玻璃纤维锚杆，以加固隧道掌子面使其保持稳定。该段围岩等级为V级，初期支护全环采用I20a钢架，纵向间距0.5m，喷射混凝土为C25钢纤维混凝土，厚度20cm，环向打设径向锚杆，锚杆长度4m，间距1.0×1.0（环×纵）。计算参数见表2-表4。表2围岩物理力学参数参数围岩压缩模量E（Pa）波松比u体积模量k（Pa）剪切模量sh（Pa）摩擦角f（°）粘聚力c（Pa）密度D(kg.m-3)Ⅴ7.10E+080.378.30E+082.80E+08228.00E+041.90E+03表3纤维锚杆力学参数表表4喷射混凝土力学参数计算中假设:1)实际施工中，二次衬砌通常远离掌子面施做,计算中不考虑二衬作用；2)开挖过程中,围岩应力100%释放；3)假定围岩都遵循相关联的Mohr-Coulomb屈服准则。表5计算工况3.3结果分析直径d/mm弹性模量Es/Gpa屈服强度/Mpa2545400材料变性模量Es/Mpa泊松比u容重r(kN/m3)喷混凝土20E+030.2520工况纤维锚杆加固密度（m×m）纤维锚杆加固长度(m)1不打锚杆/22×2（1根/4m2）1831.2×1.2（1根/1.44m2）180246810121416-20-17-14-11-8-5-2工况2工况3工况4锚杆轴力(KN)掌子面开挖方向(m)图3玻璃纤维锚杆轴力分布（注意）此图需替换两种工况下轴力最大锚杆的轴力分布如图3所示。从图3中可以得出：最大轴力均发生在距掌子面2-3m附近，此时玻璃纤维锚杆的最大轴力分别为13.8KN（工况2）、11.5KN（工况3）,对应的最大应力分别为σmax=28.1MPa（工况2）、σmax=23.4MPa（工况3），都小于锚杆的屈服强度。另外，虽然随着锚杆密度的增大，其轴力有所减小，但其减小幅度和锚杆密度的变化幅度相比不十分明显。0246810121416010203040未加固工况2工况3掌子面位移(mm)掌子面高度(m)-12-10-8-6-4-20010203040未加固工况2工况3隧道横向坐标沉降(mm)(m)图4掌子面挤压变形图5横向地表沉降位移是隧道开挖过程中最为常用，也是最为方便的测量指标，通过监测位移的变化可以较为直观的反应隧道经过纤维锚杆预加固后的效果。图4是开挖面到达20m时各种工况的掌子面挤出变形图。工况3时，掌子面最大水平挤出位移为19mm，相比未加固时减少了约50%，而工况2与未加固时的结果基本相等。这表明，采用玻璃纤维锚杆对工作面前方的超前核心围岩进行预加固，可以提高其强度和刚度，极大的抑制了工作面的挤出变形，但加固密度需达到一定值才有明显效果。图5是3种工况下的横向地表沉降图，其与前面的结果又相似的规律，加固密度为1根/1.44m2时，最大地表沉降值约为4mm，相对于未加固时减少了60%。-50-40-30-20-100-30-20-100102030未加固工况2工况3掌子面隧道纵向坐标开挖方向竖向位移(mm)(m)图6掌子面前方拱顶轮廓线预收敛图6是掌子面前方拱顶轮廓线预收敛变化情况，通过玻璃纤维锚杆预加固，不仅减小了工作面前方围岩的竖向预收敛变形，而且大大减小了开挖后隧道的最终收敛值，因此，纤维锚杆能提高开挖面前方以及开挖后的隧道围岩稳定性。a.工况1（未加固）b.工况3（1根/1.44m2）图7塑性区深度从图7就可以明显的得到，塑性区深度由加固前的6～7m减小到经超前预加固后的2～3m，除了深度的变化，塑性区的分布特征也有了明显的不同。经过超前预加固提高了超前核心土体系的强度，增强了超前核心土的抗变形能力，原先贯穿的剪切滑移面变为了顶部和底部的局部破坏区，这就大大提高了掌子面的稳定能力。根据以上分析，拟定浏阳河隧道的超前预加固参数为：(1)锚杆规格：18m长Φ25mm中空玻璃纤维注浆锚杆；(2)锚杆布置：垂直于掌子面，1.2m×1.2m梅花型布置；(3)纵向间距：12m一环，搭接6m。3.4现场试验采用多点位移计对掌子面以及洞周位移进行测量。通过现场实际检测成果来看，掌子面变形量较小，掌子面突出最大变形量为16.76mm，一般为12～14mm。洞内变形也在控制范围内，拱顶下沉量在20mm以内，洞周收敛也在20mm以内。由于条件所限，底部隆起没有监测。监测数据与数值模拟结果值相比偏小，这是由于开挖过程中，预收敛在测量前已经发生，因而监测数据只是最终收敛值的一部分。4结束语通过玻璃纤维锚杆对掌子面前方的“超前核心土”进行预加固，能明显改善围岩的变形特性，并有效地控制掌子面上的挤压膨胀变形，因而能减小隧道开挖的预收敛，增强了掌子面的稳定性。ADECO-RS工法是一种解决复杂地质条件下隧道掌子面不稳定的施工方法，也是保证隧道设计可靠、施工安全的技术体系和基本原则，已成为国际上一种新型大断面隧道快速施工方法。而我国对于超前预加固工法的研究处于试验和探索的阶段，相应理论研究还不太成熟，也缺乏工程实践。随着我国客运专线的大规模建设，超前预加固工法必将得到越来越多的研究和应用。参考文献[1]Lunardi，P.Thedesignandconstructionoftunnelsusingtheapproachbasedontheanalysisofcontrolleddeformationinrocksandsoils[R].T&TInternationalADECO-RSApproach.MAY2000[2]陈涛,梅志荣.隧道易切削锚杆全断面预加固的三维数值模拟[J].现代隧道技术，2008，45(5)：22-26[3]梅志荣,陈涛.高速铁路隧道全断面预加固技术的应用研究.隧道建设，2008，28(5)：543~547[4]朱永全.隧道稳定性位移判别准则[J].中国铁道科学，2001，22(6)[5]师金锋,张应龙.超大断面隧道围岩的稳定性分析[J].地下空间与工程学报，2005,1(2)[6]肖广智,魏祥龙.意大利岩土控制变形（ADECO-RS）工法简介[J].现代隧道技术，2007,44(3)[7]王正松,孙铁成,高波.全断面预加固隧道施工工法（新意法）[J].铁道标准设计，2007（增刊1）[8]张晓峰.大管棚支护条件下顶进箱涵开挖掌子面土体稳定性分析[J].建筑科学，2007,23(7)[9]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京，人民交