软岩隧道掌子面玻璃纤维锚杆加固参数研究

崔柔柔，杨其新，蒋雅君

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，土木工程学院，成都 610031)

软岩隧道掌子面玻璃纤维锚杆加固参数研究

崔柔柔，杨其新，蒋雅君

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，土木工程学院，成都 610031)

新意法的核心思想是通过调节超前核心土的强度和刚度来控制围岩变形。通过数值计算方法模拟掌子面玻璃纤维锚杆加固参数(加固长度、搭接长度、加固范围)在软岩隧道变形中的作用，得出软岩隧道的变形规律。结果表明：(1)加固超前核心土能有效控制隧道变形；(2)根据隧道预收敛变形可以确定锚杆长度，根据掌子面失稳机理和破裂面的深度可以确定锚杆最小搭接长度；(3)在隧道变形允许情况下，可以对掌子面加固范围进行优化，仅加固掌子面中心部位。

软岩隧道；新意法；超前加固；数值模拟；玻璃纤维锚杆；加固参数

1 概述

岩土控制变形分析法(ADECO-RS)是意大利人Pietro Lunardi在研究围岩变形反应和总结新奥法的基础上提出的新工法，亦称为“新意法”。它包括旋喷注浆围岩改良加固技术、全断面机械预切槽技术和玻璃纤维结构件加固掌子面技术等工法[1]。新意法强调机械化的全断面开挖，新意法在过去十多年内广泛应用于意大利的公路和铁路领域，并已纳入意大利的隧道设计和施工规范。

王正松介绍了新意法以控制工作面超前核心围岩变形为手段的主要理念、施工原则，对比了新奥法与新意法的不同[2]；翟进营介绍了新意法在国外应用的情况，为“新意法”在我国的推广应用提供参考[3]；李斌根据新意法基本理念提出锚杆加固参数的确定方法[4]；旷文涛结合武广客运专线浏阳河隧道施工，通过数值模拟试验方案，得到各级围岩下浅埋大断面隧道施工参数建议[5]；关岩鹏结合桃树坪大断面软岩隧道工程，通过数值模型模拟得出大断面软岩隧道施工中合理的新意法施工加固参数[6]；赵录学针对新意法的特点，就复杂地质条件下隧道选线、衬砌支护参数的选定及施工方案提出了具体建议[7]；彭峰根据工程实践，介绍了桃树坪隧道的工程概况、地质问题、施工工艺、施工设备及超前核心土加固控制变形技术的应用效果[8]。赵勇介绍了玻璃纤维锚杆预加固在浏阳河隧道中的应用[9]。陈亮根据锦屏引水隧洞工程，确定了加固掌子面是保证全断面开挖的关键条件[10]。这些研究都为新意法在我国的推广应用提供了参考依据。

目前新意法在我国已应用于桃树坪隧道、卧龙隧道、浏阳河隧道。随着我国经济的快速发展，将会修建越来越多的穿越复杂软弱地层的隧道，因此研究新意法在软岩隧道中的应用，具有很大的工程意义。

本文拟通过采用玻璃纤维锚杆加固掌子面超前核心土来研究掌子面加固在控制软岩隧道变形中的作用，得出掌子面加固锚杆长度、搭接长度和掌子面锚杆加固范围对于超前核心土加固效果的影响规律。

2 新意法的基本理论

新意法认为隧道变形类型与隧道不稳定表现形式如图1所示[1]。新意法认为隧道掘进过程中整个应力-应变过程(挤出变形、预收敛和收敛)的真正起因是超前核心土的变形。因此为完全控制围岩的变形必须采取以下措施：

(1)在掌子面前方采用合适的预约束措施以调整超前核心土的强度；

(2)在掌子面后方紧跟隧道支护措施，提供连续的洞室约束力，以控制超前核心土的挤出。

图1 隧道变形类型与隧道不稳定的表现形式

3 工程背景和数值模拟模型

3.1 工程背景

某铁路隧道开挖洞宽11.3 m，开挖高度11.9 m，隧道断面积104.2 m2，隧道处于新老黄土交界处，即拱脚以上为新黄土，拱脚以下为老黄土，具体土层参数如表1所示。根据以往黄土隧道工程可知，隧道拱顶沉降和掌子面挤出量较大，为了有效控制隧道结构与土体变形[11，14]，本工程拟采用预切槽超前支护和玻璃纤维锚杆加固掌子面超前核心土，以便进行全断面开挖。

预切槽纵向长度为4 m，灌注长度3.5 m，搭接0.5 m，纵向仰角7°，预切槽厚度为20 cm，预切槽如图2所示，预切槽设置范围为拱墙范围内。初支钢拱架采用H150型钢间距为0.8 m。拱墙范围内初支平均厚度为28 cm，仰拱范围内初支厚度为22 cm，二衬厚度50 cm。

表1 土层参数

图2 预切槽切槽深度与搭接示意(单位：cm)

掌子面前方超前核心土加固采用40 cm全粘结型玻璃纤维锚杆加固，玻璃纤维锚杆在掌子面采用间距为2 m×2 m的梅花形布置，加固后土层黏聚力提高26.5%，摩擦角提高66.9%，单轴抗压强度提高13%，抗剪强度提高147%，弹性模型提高25%[12，13]。

3.2 计算模型

隧道埋深为40 m，隧道模型大小为x方向(宽度)100 m，y方向(长度)60 m，z方向(高度)80 m，共192 000个单元，202 675个节点，隧道模型采用位移边界作为边界条件，计算模型如图3所示。

图3 隧道模型

在进行数值模拟时做以下假定：(1)假定围岩为均质连续体，其物理力学行为服从Mohr-Coulomb屈服准则；(2)忽略地质构造应力，用自重应力来模拟初始应力场；(3)不考虑地下水的影响；(4)根据刚度等效原则将预切槽等效为混凝土开口圆筒来考虑，沿隧道纵向全长分布。

4 掌子面加固参数分析

4.1 玻璃纤维锚杆长度

为了研究掌子面超前核心土加固长度即玻璃纤维锚杆长度在隧道开挖过程中对围岩与隧道变形的控制作用，本节对比了玻璃纤维锚杆长度为0、7、10.5、14、17.5 m五种工况下计算结果，如表2所示。玻璃纤维锚杆搭接长度均为3.5 m，玻璃纤维锚杆在掌子面采用间距为2 m×2 m的梅花形布置。

表2 隧道变形计算结果

注：距离掌子面距离为负表示距离掌子面前方还未开挖的距离；若为正值表示距离掌子面后方已开挖的距离。

通过表2可知，隧道在不加固掌子面超前核心土时，隧道拱顶预收敛变形最大为54.5 mm，最大拱顶沉降为79.8 mm，并且隧道预收敛变形影响范围在15 m左右，即1.26倍洞径左右，符合软弱围岩预收敛变形在1～1.5倍洞径的普遍规律。隧道变形量主要由于隧道预收敛变形引起。

通过玻璃纤维锚杆加固掌子面后，隧道拱顶沉降量有明显减小，当锚杆长度为7、10.5、14、17.5 m时，隧道拱顶最大沉降分别为35.5、27.9、21.8、20.2 mm，相比不加固掌子面时分别减少了44.3、51.9、58、59.6 mm；其最大掌子面挤出量分别为102.4、87.0、82.7、82.3 mm，较不加固掌子面时的270.4 mm分别减少了62.1%、67.8%、69.4%、69.5%。所以随着锚杆长度增加，隧道拱顶沉降与掌子面挤出量不断减小。但在隧道掌子面前方15 m处隧道预收敛变形已经为0，此时增加锚杆长度对于隧道变形控制效果不明显，所以在锚杆长度为隧道预收敛变形影响范围时，掌子面加固能够得到充分利用，经济效益最好。因此在本工程中采用玻璃纤维锚杆长度为14 m较为合理。

通过玻璃纤维锚杆加固超前核心土，不仅可以通过锚杆使超前核心土连为整体，而且通过注浆直接提高超前核心土物理力学参数，对于隧道变形与掌子面挤出变形控制效果最直接、有效。因此在软弱围岩施工中要重视掌子面超前核心土加固的作用，采取合适的加固措施，达到控制隧道变形的效果。

4.2 玻璃纤维锚杆搭接长度

玻璃纤维锚杆搭接长度决定了掌子面最危险状态。本节考虑玻璃纤维锚杆搭接长度取0、3.5、7、10.5 m四种工况，计算结果如表3所示。此时玻璃纤维锚杆长度均为14 m，玻璃纤维锚杆在掌子面采用间距为2 m×2 m的梅花形布置。

表3 隧道变形计算结果

从表3可知，在保持锚杆长度固定为14 m时，锚杆搭接长度分别0、3.5、7、10.5 m时隧道拱顶下沉、地表最大下沉和掌子面最大挤出量依次减小。当锚杆搭接长度为0 m时，隧道处于最危险状态，此时与前节不加固掌子面超前核心土工况类似，隧道变形量均较大，不能起到控制隧道变形的目的。

所以存在一个最小锚杆搭接长度。隧道在开挖之后，掌子面处于临空状态，其稳定性机理与边坡稳定是相似的，隧道因开挖引起的掌子面上方松散土体将全部作用在隧道掌子面上。隧道掌子面上方受到松弛荷载q的作用，如图4所示[4]。

图4 掌子面失稳机理

通过计算最小搭接长度为

(1)

因此应保证锚杆最小搭接长度不小于3 m。通过表3可知，随着锚杆搭接长度增大，隧道拱顶最大沉降值减少明显，但掌子面挤出量减小较小。所以本工程采用3.5 m的锚杆搭接长度可以满足掌子面稳定性的要求。

4.3 掌子面玻璃纤维锚杆加固范围

由于掌子面挤出最大的地方一般发生在掌子面中心部位，而隧道轮廓线周围掌子面挤出量很小，所以对于掌子面玻璃纤维锚杆加固范围可以进行优化，一方面可以减少施工步骤，增加施工速度，另一方面可以降低施工成本。

为了研究掌子面加固范围对于核心土加固效果的影响，本节对比了掌子面全断面加固、加固范围1、加固范围2、不加固掌子面四种工况。加固范围1为只对掌子面中心直径8 m范围内加固如图5所示，加固范围2为掌子面中心直径4 m范围内加固如图6所示，粗线代表隧道轮廓线，细线以内代表掌子面加固范围。掌子面加固所用玻璃纤维锚杆长度为14 m、搭接长度为3.5 m，锚杆在加固范围内采用间距为2 m×2 m的梅花形布置。计算结果见表4。

图5 加固范围1(单位：m)

图6 加固范围2(单位：m)

由表4可知，随着掌子面加固范围减少，隧道拱顶沉降、地表沉降、掌子面挤出量不断增加，加固掌子面中心部位对于控制掌子面挤出效果最明显。由于掌子面加固措施是临时的，所以在对隧道拱顶沉降和地表沉降要求不高的地区可以只加固掌子面中心部位，但对于控制地表变形和掌子面挤出要求高的地区应优先采取全断面加固掌子面。

表4 隧道变形计算结果

5 结论与建议

(1)在软岩隧道开挖过程中应重视隧道预收敛变形对于隧道稳定性的影响，应重视掌子面加固对控制隧道变形的重要作用，仅通过超前支护很难达到控制隧道变形与掌子面稳定的目的，必须通过掌子面加固来提高超前核心土物理力学参数，增加掌子面稳定性。

(2)软弱围岩预收敛变形范围一般长度处于1～1.5倍洞径，因此掌子面超前核心土加固长度应不小于隧道超前核心土预收敛变形长度，这样才能达到控制隧道预收敛变形的目的。

(3)掌子面加固搭接长度是控制隧道掌子面稳定的关键因素，应满足最小搭接长度的要求，锚杆的搭接长度可以按照超前核心土破裂面的深度确定。

(4)在对隧道变形与地表沉降要求不高的地区，可以只针对隧道掌子面中心部位加固。

(5)本文未对注浆效果进行研究，对于软弱围岩中超前核心土注浆效果值得进一步研究。

[1] Lunardi Pietro. Design and Construction of Tunnels ADECO-RS approach[J]. Tunnels Tunnelling International special supplement， 2000(5).

[2] 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(S1):170-172.

[3] 翟进营，杨会军，王莉莉.“新意法”在国外隧道工程中的应用[J].隧道建设，2008，28(1):469-475.

[4] 李斌，漆泰岳，吴占瑞，等.隧道掌子面锚杆加固参数确定方法[J].铁道学报，2012，34(10):115-121.

[5] 旷文涛，漆泰岳，李斌，等.超前预加固大断面隧道施工参数系列化研究[J].现代隧道技术，2010，47(5)：59-64.

[6] 关岩鹏，黄明利，彭峰.大断面软岩隧道新意法加固参数研究[J].公路交通科技，2013，30(3):105-110.

[7] 赵录学.关于新意法隧道设计的几点建议[J].现代隧道技术，2012，49(1)：50-52.

[8] 彭峰，肖盛能，潘威，等.软弱围岩隧道修建新方法—核心土加固变形控制法[J].现代隧道技术，2012，49(3)：131-137.

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[10]陈亮，陈寿根，杨家松.高地应力大断面软岩隧道开挖技术研究[J].铁道标准设计，2013(4)：87-91.

[11]陈佩寒，王宁，赵华峰.郑西客运专线张茅隧道施工技术[J].铁道标准设计，2012(3)：80-83.

[12]张军伟，梅志荣.全粘结型锚杆加固隧道掌子面强化机理研究[J].隧道建设，2010，30(1)：161-165.

[13]孙会想，沈才华.玻璃纤维锚杆注浆加固掌子面效果研究[J].水力与建筑工程学报，2012，10(4)：131-135.

[14]关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京:人民交通出版社，2011.

Study on Reinforcement Parameters of Fiber Glass Anchor Bar at Soft-rock Tunnel Face

CUI Rou-rou， YANG Qi-xin， JIANG Ya-jun

(Key Laboratory of Tunnel Engineering， Ministry of Education， School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

The core idea of ADECO-RS is that the deformation of rock mass is controlled by adjusting the core soil strength and stiffness. The function of face reinforcement parameters (the reinforcing length， the lap length and reinforcing region) on the deformation of soft-rock tunnel by numerical simulation is employed to find out the deformation rule of soft-rock tunnel. The results show that (1) the reinforcement of the core rock at tunnel face has significant effect on the tunnel deformation response;(2) the reinforcing length of the anchor bar is defined by the pre-convergence of tunnel， the lap length of the anchor bar is defined by the instability mechanism of the tunnel face and the depth of the breaking cross-section; (3)the reinforcing region of the anchor bar at the tunnel face can be optimized and only the center of the tunnel face is reinforced once allowable tunnel deformation is maintained.

Soft-rock tunnel; ADECO-RS approach; Advanced reinforcement; Numerical simulation; Fiber glass anchor bar; Reinforcement parameter

2015-03-21；

2015-04-12

崔柔柔(1988—)，男，硕士研究生，E-mail：1035172571@qq.com。

1004-2954(2015)11-0079-04

U455

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.019