鎖腳錨桿作用機理及圍巖穩(wěn)定性分析

鎖腳錨桿作用機理及圍巖穩(wěn)定性分析

1增設(shè)鎖腳錨桿在平埋和薄弱層建造大斷面隧道時，為了減少底部的弱化，在上樓梯初期的支撐下沉，在下臺層開挖的初始支撐坍塌，鎖定錨架是控制沉降的有效措施。尤其在地層軟弱、地層含水量大、拱腳積水的條件下,鎖腳錨桿的增設(shè)對控制拱頂和地面下沉效果非常明顯。鎖腳錨桿又叫鎖腳導(dǎo)管、鎖腳錨管,是近幾年發(fā)展起來的一項新技術(shù),由于其簡單易行、經(jīng)濟、效果明顯,大大地提高了施工效率,省去了其他輔助施工措施,節(jié)約了人力、物力,因此,在國內(nèi)外的大斷面隧道施工中得到了廣泛的運用。但是,到目前為止,對鎖腳錨桿的施工效果和作用機理進行系統(tǒng)研究和總結(jié)方面的文章卻很少。本文在修建廈門海底隧道中運用的基礎(chǔ)上,建立了鎖腳錨桿的力學(xué)分析模型,通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合,對工作面開挖擾動區(qū)應(yīng)力、位移場等進行了分析,系統(tǒng)地研究鎖腳錨桿受力和變形規(guī)律,并據(jù)此分析各影響因素與拱頂沉降的關(guān)系,最后優(yōu)化給出了鎖腳錨桿的設(shè)計和施工方法。2注漿和壓密注漿相結(jié)合鎖腳錨桿的基本原理是通過鉆孔,將錨桿壓入鋼隔柵里的地層中,借助注漿泵的壓力使?jié){液通過錨桿滲入、擴散到巖層孔隙或裂隙中,以改善巖體物理力學(xué)性能,有效地限制巖層松弛變形從而達到了提高開挖面巖層自穩(wěn)能力和延長巖層自穩(wěn)的目的。對于松散破碎圍巖具有一定孔隙或裂隙受擾動和爆破的圍巖,選用滲入性注漿。在注漿壓力作用下,漿液克服流動的各種阻力,滲入圍巖的各種孔隙和裂隙中,達到巖層加固的目的。對于致密的土質(zhì)地層,選用劈裂,壓密注漿。在較高的漿液壓力作用下,裂隙被擠開,使?jié){液得以滲入,形成脈狀水泥漿脈,漿液分布形成鋼管為主干的樹枝,凝固的漿液挾持網(wǎng)罩被壓密的土體,起到固結(jié)的作用。3輔助施工措施翔安隧道兩端陸域段為軟弱地層,淺埋暗挖法施工,行車隧道為三車道,開挖斷面達170m2,采用交叉中隔壁(CRD)法施工;服務(wù)隧道近似圓形,開挖斷面面積約46m2,采用臺階法施工。在施工過程中,部分斷面拱頂下沉偏大,遠遠超過設(shè)計預(yù)留的變形量,造成初期支護侵入原設(shè)計二次襯砌施作空間,需要進行侵限換拱處理,甚至發(fā)生大變形危及結(jié)構(gòu)安全。為了控制各部及整體下沉,根據(jù)經(jīng)驗,施工單位在開挖過程中主要采用了打入鎖腳錨桿的輔助施工措施,每榀工字鋼在距離臨時仰拱或仰拱1m高處打入2對共4根?42mm,壁厚3mm,L=3m的中空注漿鎖腳熱軋無縫鋼管。其錨桿具體布置見圖1。4pfigis程序模擬本文在數(shù)值模擬時采用Plaxis2D和3D隧道程序,該程序是特為隧道工程中變形和穩(wěn)定性三維分析而設(shè)計的一個巖土有限元軟件。它能很好地模擬土和巖石的非線形、時變性和非勻性,以及由土的多相性導(dǎo)致的靜水非靜水的空隙壓力,能方便地建立土、結(jié)構(gòu)、界面的模型,支持多種本構(gòu)關(guān)系和破壞準則;能很好地模擬各種巖土工程諸如地基沉降、地下工程開挖、大壩穩(wěn)定、連續(xù)墻施工、路堤施工、地下工程開挖施工過程及其穩(wěn)定性等。這個由荷蘭代夫特工業(yè)大學(xué)編寫的程序在巖土工程應(yīng)用中體現(xiàn)了強大的生命力。Plaxis程序在各中巖土和隧道設(shè)計中廣泛采用,近年來在中國開始應(yīng)用。該程序能夠模擬復(fù)雜的工程地質(zhì)條件,尤其適合于變形和穩(wěn)定分析并且能夠計算兩類工程問題。大量工程實踐表明,錨桿打入角度、錨桿注漿效果、拱架下放剛性墊塊等因素對錨桿作用效果影響較大,但具體如何影響、參數(shù)是否有最有組合,理論上并未給出合適的解答。針對此問題,本文通過Plaxis程序分別進行了數(shù)值模擬分析,并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比。4.1地表-庫侖準則本文在計算中采用了如下假定:(1)采用平面應(yīng)變模型;(2)土體采用mol-庫侖準則,結(jié)構(gòu)單元采用彈性模型;(3)根據(jù)實際情況考慮兩土層;(4)假定地表和各土層均成層勻質(zhì)水平分布;(5)用剛度等效的方法,以梁單元模擬錨桿;(6)地層和材料的應(yīng)力-應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化,地應(yīng)力場由重力自動生成。4.2開錨桿模型分析隧道支護結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1,根據(jù)設(shè)計文件 及現(xiàn)場實驗資料,并結(jié)合有關(guān)研究,圍巖的物理力學(xué)參數(shù)取值見表2。在數(shù)值模擬中,鎖腳錨桿采用彈塑性彈簧單元進行模擬,其力學(xué)參數(shù)見表3。本文在考慮注漿的作用效果時,主要是通過改變注漿后的物理力學(xué)參數(shù)實現(xiàn)的。其中錨桿荷載分別考慮自重和最大荷載,分別為132kPa和460kPa。4.3圍巖段地表變形數(shù)值模型行車隧道CRD法施工采用1→2→3→4部開挖順序,如圖2所示。數(shù)值模擬計算范圍:陸域Ⅴ級圍巖段,取工程區(qū)各土層均為水平層,由上至下各層分別為硬塑狀亞黏土9.0m,全風(fēng)化花崗巖23.0m,水平取30m。計算主要考慮重力場,水平應(yīng)力由重力自行生成。模型側(cè)面和底面為位移邊界,側(cè)面限制水平位移,底面限制垂直位移,上邊界是地表,為自由面。計算模型如圖3所示。4.4不同角度下錨桿注漿注漿效果分析在本文模擬計算中,分別考慮如下幾種工況。工況1:不采用鎖腳錨桿。工況2:采用鎖腳錨桿,錨桿不注漿,改變打入不同角度(10°,15°,20°,25°,30°,40°,50°)。工況3:采用鎖腳錨桿,錨桿注漿,但注漿參數(shù)較弱(考慮影響范圍),考慮不同角度(10°,15°,20°,25°,30°,40°,50°)。工況4:采用鎖腳錨桿,錨桿注漿+考慮打入端加墊塊,同時考慮不同角度(10°,15°,20°,25°,30°,40°,50°)。5計算結(jié)果和分析5.1鎖腳錨桿下沉通過數(shù)值模擬計算,行車隧道采用鎖腳錨桿施工措施(鎖腳錨桿打入角度為40°)處理前、后位移變化情況見表4。由表4可見:施作鎖腳錨桿后,1、3部拱頂下沉分別減小20.8%和23.1%,上部、下部水平收斂平均分別減小9.2%、11.5%。這表明采用鎖腳錨桿可以有效減小拱頂下沉和水平收斂。5.2鎖腳錨桿支護安全性分析采用鎖腳錨桿前、后支護結(jié)構(gòu)安全性變化情況見表5。由表可知:采用鎖腳錨桿,初期支護的安全系數(shù)無論在邊墻或仰拱都比不采取工程措施時有所提高,這表明鎖腳錨桿可以提高初期支護的安全性。5.3錨桿可浮性的影響大量工程實踐表明,錨桿對沉降的控制效果與其所受荷載息息相關(guān),圖4中給出了錨桿打入角度分別為10°、20°、30°、40°時,荷載和錨桿露頭部下沉值的關(guān)系。分析可知,隨著荷載的不斷增加,錨桿端頭豎向位移呈線形增加,同時錨桿打入角度的不同對沉降的影響也較明顯。5.4控制沉降的變化分別針對錨桿3種不同工況,即無注漿、注漿和加墊塊時在不同打入角度對控制沉降的效果進行了計算,結(jié)果見圖5。分析可知:不論何種工況,鎖腳錨桿對鋼架沉降的控制都和打入角度有關(guān),一般都在打入角度為25°時錨桿最大沉降值最小,此角度的錨桿控制沉降效果最佳。5.5注漿體固錨桿加固機理在軟土圍巖中錨桿注漿不僅可以增加錨桿的抗彎剛度,并且由于擴散得到漿液和土體結(jié)合,形成注漿體,對錨桿的抗拔能力也大為提高,同時漿液對圍巖也起到加固作用,提高了土體的c,?值。從計算結(jié)果來看(見圖5和表6),無論鎖腳錨桿在任何角度下打入,注漿錨桿較未注漿錨桿端部沉降減小20%左右,對鋼架減沉效果明顯。5.6注漿錨桿錨桿沉降控制了拱頂?shù)南鲁翞榱丝刂乒绊斚鲁?在軟土隧道施工中通常在鋼架拱腳增加剛性墊塊,以增大拱腳作用面積,分散拱腳集中作用力。拱腳墊塊材料通常用混凝土塊或方木塊。為了分析增加墊塊后的作用效果,本次對此進行了計算,計算結(jié)果見表6。由結(jié)果可知,注漿錨桿加墊塊后沉降較不加墊塊在不同的打入角度下下降15%～20%,與無注漿錨桿情況相比加墊塊后沉降值能減小40%左右,從而有效地控制了拱頂?shù)南鲁?。由以上分析可?鎖腳錨桿在注漿加墊塊下較不注漿時對拱頂?shù)某两导八绞諗慷计鸬搅撕芎玫目刂谱饔谩＿@基于其抗彎、抗剪、抗拉能力等力學(xué)性能都得到了很好的發(fā)揮,其內(nèi)力計算結(jié)果見表7。表中剪力和彎矩值增幅比較大,所以這也為設(shè)計施工時加墊塊后對錨桿的抗彎剛度、抗剪能力等材料性能提出了新的要求。6初期支護施工一般施工或加鎖腳錨桿密本文通過對翔安海底隧道地質(zhì)條件的調(diào)查分析,并參考國內(nèi)外有關(guān)研究,在系統(tǒng)研究鎖腳錨桿作用機理的基礎(chǔ)上,對在軟弱破碎地段采用鎖腳錨桿的施工效果進行了數(shù)值模擬、計算。全面分析了鎖腳錨桿在不同打入角度、有無注漿、設(shè)置墊塊與否等因素對拱頂下沉量的影響,得出如下主要結(jié)論。(1)通過和不采用工程措施的對比可知:采用鎖腳錨桿,對控制軟弱地段開挖中的各部分的整體下沉及水平收斂比較有效,行車隧道可減小拱頂下沉的20%以上,水平收斂可減小10%左右,同時,鎖腳錨桿的使用可以有效的提高初期支護的安全性。(2)當角度一定時,隨著荷載的增加,錨桿豎向位移呈線形增長;在不考慮其他情況的條件下,在20°～30°之間,沉降較小。(3)在鎖腳錨桿注漿與否、是否加墊塊等同等施工條件下,鎖腳錨桿打入角度以25°左右時控制沉降效果最佳。(4)在不同的工況條件下,沉降值區(qū)別比較大,無注漿情況沉降最大,其次是注漿,再次是加墊塊。注漿后較無注漿時沉降減小20%左右,注漿后同時加墊塊沉降值能減小40%左右。(5)加墊塊后鎖腳錨桿的彎矩、剪力、拉力等內(nèi)力值都有顯著的增加,在設(shè)計施工時要注意材料的力學(xué)性能。主