软岩隧道掌子面玻璃纤维锚杆加固参数研究

发布时间：2020-11-02 00:01

　　 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。
【部分图文】：

卫嘈陀胨淼啦晃榷ǖ谋硐中问?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11.3m，开挖高度11.9m，隧道断面积104.2m2，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4m，灌注长度3.5m，搭接0.5m，纵向仰角7°，预切槽厚度为20cm，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0.8m。拱墙范围内初支平均厚度为28cm，仰拱范围内初支厚度为22cm，二衬厚度50cm。表1土层参数材料容重/(kN/m3)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)μ弹性模量/MPa新黄土15.425.219.40.343.2老黄土20.035.025.60.345.0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40cm全粘结型80铁道标准设计第59卷

玻璃纤维锚杆加固，玻璃纤维锚杆在掌子面采用间距为2m×2m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40m，隧道模型大小为x方向(宽度)100m，y方向(长度)60m，z方向(高度)80m，共192000个单元，202675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、17.5m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3.5m，玻璃纤维锚杆在掌子面采用间距为2m×2m的梅花形布置。表2隧道变形计算结果掌子面加固措施沿隧道纵向各处拱顶下沉/mm(距离掌子面距离/m)锚杆长度/m锚杆搭接长度/m－15－1001020最大下沉掌子面最大挤出量/mm003.322.854.561.568.179.8270.473.50.54.312.418.224.335.5102.410.53.502.58.813.919.327.987.0143.501.57.511.815.421.882.717.53.500.55.410.614.321.382.3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54.5mm，最大拱顶沉降为79.8mm，并且隧道预收敛?

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L=H·tan(45°－φ2)=3.0m(1)因此应保证锚杆最小搭接长度不小于3m。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校所以本工程采用3.5m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8m范围内加固如图5所示，加固范围2为掌子面中心直径4m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14m、搭接长度为3.5m，锚杆在加固范围内采用间距为2m×2m的梅花形布置。计算结果见表4。图5加固范围1(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，加固掌子面图6加固范围2(单位:m)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隧道变形计算结果掌子面加固范围拱顶最大下沉/mm地表最大下沉/mm掌子面最大挤?
【参考文献】

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