软弱围岩隧道支护方法对比与效果分析

软弱围岩隧道支护方法对比与效果分析　汪正宏　（安徽省黄山市公路管理局黄山分局，安徽黄山摘２４５７００）　要：文章结合深埋隧道软弱围岩支护要求，具体阐述了常规喷锚支护与锚注联合这两种支护方式下的围岩水平位移、边墙水　平位移、拱顶及隧底竖向位移、沉降等方面的对比，并提出适合大埋深、软弱破碎围岩隧道的支护技术，为同类工程提供参考。　关键词：隧道围岩；支护设计；计算分析　中图分类号：Ｕ４５５．７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—５７８１（２０１６）０５—０６８２—０４　０　引　言　随着我国社会经济的高速发展，基础设施建设得　到了迅猛发展，一大批公路、铁路和地下轨道交通工　程及水利水电工程建设项目纷纷开工建设。通常，这　些工程建设项目大多面临不良地质条件，如软弱围　岩、高地应力等。　图１隧道力学模型　软弱围岩处治不当将造成结构开裂、变形以及初　期支护侵入二次衬砌、甚至坍方的病害Ｌ１］，给工程建　设及运行安全带来。为此，软弱围岩的支护研究一直　一ｒｏ（１－ｓｉｎ￣）　一　］　㈩　］皆　（２）　（３）　是地下工程领域的研究热点，国内外学者在这一方面　取得丰硕的成果。文献［２］研究了隧道软弱围岩变形　特征与控制方法，文献［３］研究了公路隧道穿越软弱　围岩的变形与控制方法、文献Ｅ４］研究软弱围岩大断　面隧道径向注浆变形的控制技术。尽管这些研究已　取得一定成果，在软弱围岩地段，通常会采用喷锚＋　拱架支护进行施工，虽然支护质量有保证，但仍会出　现变形过大、坍塌，甚至大的安全事故等；加上我国地　ｓｉｎ　（Ｐ。＋ｃ・ｃ。ｔ　）ｒ０　盘　１－ｓｉ　ａｃ一　－＝————－—　１一ｓｉｎ∞　由Ｃｏｕｌｏｍｂ－Ｍｏｈｒ强度破坏准则可得　南×　［（１－ｓｉ　］南㈤　］白㈣　质条件复杂多变，因此应加强软弱围岩不同支护方法　的研究。　一　ｓ‘ｉｎ￣ｏ（Ｉ十商ＪＦ—ｏ＋　）　ｒｏ　１　大埋深软弱围岩隧道支护要求分析　目前有关深埋洞室开挖后应力状态的弹塑性解　析分析多建立在洞室为圆形、侧压系数　＝＝＝１、只考虑　地层自重产生的初始应力场的条件。按照弹塑性力　学的基本原理［引，侧压系数．：Ｌ一１、圆形洞室（如图１　其中，　罢　；ｃ，　，Ｅ，　，　分别为围岩粘聚力、内　摩擦角、变形模量、泊松比和单轴抗压强度；Ｐｏ，Ｐｉ分　别为初始地应力和径向支护力；ｒ０为隧道等代圆半径。　所示）的围岩塑性区半径　和洞壁周边径向位移　按下列各式计算。　收稿日期：２０１６—１０—２６；修改日期：２０１６—１０—３１　按照文献ｒ６］ｌ￣ｌ相关规定，Ｖ级围岩的力学参数　为：　＜２７。，ｃ＜Ｏ．２　ＭＰａ，Ｅ＜Ｉ．３　ＧＰａ，　＞０．３５。参　照Ｖ级围岩的力学参数　一０．３５，　一２０。，　／Ｅ一　作者简介：汪正宏（１９７１一），男，安徽歙县人，安徽省黄山市公路管理局黄山分局工程师　６８２《工程与建设》２０１６年第３ｏ卷第５期　０．６５／１　３００－－０．０００　５，将（５）式变换后可得支护抗力　Ｉ：Ｌ（Ｐｉ／Ｐ。）、围岩强度比（　／Ｐ。）与洞壁径向相对位移　（／￣／ｒｏ）的关系式如下：　ｒ　ｎ　２．３１×１０－４（＼　ｏｃ｝ｒ　ｏ　＋ｌ０・９６）｛　［　６×　ｒ。　以　／Ｐ０为横轴，．／ｔｏ为纵轴怍出Ｐｉ／Ｐｏ一０．０５，　０．１，０．１５，０．２０时　／ｒ０与　／ＰＯ的关系，如图２所示。　Ｏ由ｎｌ　０量　３　０，４　０　图２　ｕ／ｒｏ与　／Ｐｏ关系曲线　由图２可看出：①洞壁径向相对位移（　／ｒ０）随　围岩强度ｌ：Ｌ（ａｃ／Ｐ。）降低明显增大；围岩强度比越低，　洞壁径向相对位移随围岩强度比降低而增长的幅度　越大。②当ａｃ／Ｐ。＜Ｏ．１时，洞壁径向相对位移随围　岩强度比的降低急剧增大，支护强度比（Ｐｉ／Ｐ。）越　小，上述趋势越明显。③在　／Ｐ０＜０．１条件下，当　Ｐｉ／Ｐ。＜０．１时洞壁径向相对位移随支护强度比的增　大急剧减小；Ｐｉ／Ｐ。＞Ｏ．１时，洞壁径向相对位移随支　护强度比增加而降低的幅度明显减小。　按照Ｖ级围岩的力学参数：　＜２７。，ｃ＜　０．２　ＭＰａ，由Ｃｏｕｌｏｍｂ—Ｍｏｈｒ强度破坏准则可得其单　轴抗压强度　＜０．６５　ＭＰａ。当隧道埋深大于２９０　ｍ　时按自重应力计算的初始地应力Ｐ。≥６．５　ＭＰａ（围　岩平均容重按２３　ｋＮ／ｍ３计算），则　。／Ｐ。≤０．１。　随着隧道埋深的增加，初始地应力Ｐ０逐渐增　大，大埋深条件下初始地应力Ｐ０往往很大，可达十　几至几十兆帕，而支护结构提供的支护力Ｐｉ一般都　在１　ＭＰａ以下，故图２中Ｐｉ／Ｐ。的值一般不超　过０．１。　上述分析表明：对隧道埋深大于２９０　ｍ的Ｖ级　围岩而言，提高围岩强度对控制洞室变形有十分显著　的效果，在Ｐｉ／Ｐ。＜０．１条件下，适当提高支护力对　控制洞室变形也有较明显的作用；大埋深条件下，仅　靠提高支护力Ｐ　来控制软弱、破碎围岩的洞室变形，　作用非常有限且不经济。在此条件下，软弱、破碎围　岩的洞室支护宜选择以提高围岩强度为主并适当提　高支护力的方法，通过提高围岩的“自承”能力来达到　控制围岩变形、保证洞室稳定的目的。　２锚注联合支护技术　锚注联合支护是从工艺上把锚杆支护和围岩注　浆加固有机结合起来，充分利用锚杆与注浆加固的优　点，利用管式锚杆兼作注浆管，通过注浆提高围岩强　度和锚杆锚固力，锚杆锚固力提高后支护力也得到相　应提高，从而全面调动围岩自身的承载能力。锚注联　合支护从技术和工艺上可实现大埋深条件下，软弱、　破碎围岩洞室以提高围岩强度为主、适当提高支护力　为辅的支护思想，是目前解决大埋深条件下软弱、破　碎围岩支护难题的最有效手段＿７＿８＿。文献［－９—１１］对锚　注联合支护进行研究，均认为锚注支护是将锚喷支护　与注浆加固有机结合的一种主动支护方法，锚注支护　对维护软弱、破碎围岩的稳定具有显著效果。　注浆对提高软弱围岩自身承载力能力的作用主　要体现在以下几个方面ｌ＿１　：①围岩注浆后，力学参　数Ｃ，　与未注浆条件下相比有明显提高。岩体注浆　后，其粘聚力较原来增加４０％～７０％。由于浆液更　易于在岩体结构面中渗透，浆液凝结后对结构面进行　充填，将被结构面切割的小块岩石“包裹”和胶结起　来，提高了结构面的粘结力和内摩擦角，从而提高了　岩体强度。岩体强度提高后，被其包裹的锚杆因为有　可靠的着力基础，锚固力也得到相应提高。②注浆　加固降低了岩体的宏观孔隙率，提高了岩体的致密　性，改善了岩体的宏观力学性质。③注浆改善了围　岩的赋存环境，浆液固结体封闭裂隙，阻止水气对围　岩的水解风化，改善围岩长期力学性质。　３深埋软弱围岩隧道锚注支护效果　３．１数值计算结果分析　数值计算断面隧道埋深３１０　ｍ，该断面围岩级　别为Ｖ级，以弱风化泥质粉砂岩为主，岩体破碎、节　理发育，岩体点荷载强度０．８　ＭＰａ，属典型的软弱、　破碎围岩。锚注联合支护的效果通过与普通喷锚　支护的对比分析来实现。为便于支护效果的对比　分析，普通喷锚支护与锚注联合支护的支护参数相　同，即：锚杆直径均为２２，间距１．０　ｍ（环向）×　１．０　ｍ（纵向），长５．０　ｍ；喷射混凝土强度等级Ｃ２５，　厚２０　ｃｍ，钢拱架（Ｉ　２０ａ）问距８０　ｃｍ。锚注联合支　护注浆加固圈厚度按与管式锚杆的长度相等考虑。　《工程与建设》２０１６年第３Ｏ卷第５期　６８３　『地　基　与　基　础　ｌ圈■墨—■卫口—Ｉｉ　垒垒　常规喷锚支护、锵　联合支｛，Ｉ　ｒ『书Ｊ　水　、。　阳位　移如图３、　４所示　ｌ】ｌ　｝　Ｉ、ｔ．Ｆ　Ｆ、Ｉ　ＩＪ、ｎｌ　尘垒型兰尘　圣丝ｉｉ　恻　氍　拱顶　—ｉ　十｝｛对减少ｆｉ。ｆ　／（％）　５．ｔ．７　３３．　表２　两种支护方式下拱顶、隧底竖向位移对比　ｅ●　獬鍪　＋４１，．２４５　ｆ４ｌ￣３ｅ，－（０）１２　隧底　收敛　４１．【）　ｌ｛１农２可看｝Ｈ：锚汴联合支｝，１　Ｖｉｉ￣ｌ　ｌ，１｛Ｊ　阳ｆ　移』史　２　９５９　２　，￥￣，－１｝＂１＇）２　＋ｌ　３９７盯　０ｎ２　＋ｌ　Ｉ＇ｌ　８　ｑ２ｌ＿＿ｆ　Ｉ！　＋４　５｝ｆＩ　８　～ｆ船３　＋２　ｎｌＨ　１ｔ　十７　ｑ　一（ＸＭ　Ｉ　１　ｌ７　Ｂ　ｌ　２　１　４０卜“１１　ｆｈ、、¨ｒｌ　ｊ“　｛　卫　ｊ‘　图：｛　两种支护方式下围岩水平位移云图　【ｈ　Ｉ冬１　３＿ｌＪ『　‘…：锚　联合史护＿卜ＩＩ＋Ｉ？ｆ的水平化移　『Ｊ】显比常规喷铺史｝厂ｌ的小。　种支护方式下隧道边　端的水平位移　１所列。　表ｌ　两种支护方式下边墙水平位移对比　删　—　卡¨刘减少ｆｆ【［　／（％）　左边埔　Ｉ．２２　１．５＜ｑ　６２．５　矗边埔　：．　）８　１．１　１　６３．８　净夺收敛　８．！【）　３．ｏ２　６３．１　ＩＩＩ衷１可　‘…：锚注联合史护下的边墙水平位移　Ｉ｛Ｊ】显比常规喷铺史护的小．锚　联合支护　常规Ｉ　锚　支护＿ｆｆ１比边墒收敛变形ｆ　ｒＪ‘减少６（］％以Ｊ　。　Ｉ，Ｈ¨　＾Ｉ　Ｍ　、Ｔ　：　１４６　；　：；　ｉ　踹　船　：：　：　５　ｅ－Ｏ　０ｉ　ｉ囊麓＋＋７９　９５　２ｍ２６ｅ－　００ｊｔ　；　嚣　糍器：　’　磐：§Ｉｌｌ　５铀４９　４）（），．－０ｔｎ０２　４ｉ　ｆｂ）　Ｉ”１－ｒ　｛Ｉ　图１　两种支护方式下围岩竖向位移云图　Ｉ１ｊ　ｔｌ　ｆ１『　…：锚　联合史｝，ｌ下ｆｌ＇，Ｊ　７　化移　ｆ　显比常规喷锚支护的小。　种支护力‘　下拱顶、隧　底的　位移　丧２　列。　Ｇ８４　《工程与建设》　ｌｆ　ｌ｛ｆ］券第　期　净空收敛明显比常规喷锚支护的小，与常　喷铺艾护卡ｆ　Ｊ比，锚注联合支护的　向收敛位移　减少¨ｌ（）％以Ｉ　。　３．２现场实测资料分析　为检验锚注联合支护在大　深隧道软　、破　岩段的芝护效粜．在该隧道』－述　深３０（１～３２（㈤　㈣Ⅲ　）１１３＿ｌ＇ｌ＂Ｊ＼啪　１　级围岩段选取】０　１＂１２试验段施作锚　联合史护Ｊｆ＝｜　；兰　咻　埘枷枷枷哪枷　删　删郴　舶枷　√　邻　ｍ　¨　近的采川常规喷］．圳－Ｉｌ－芰护地段的涮审位移进行刈’Ｉ‘匕。　根　现场实测数掂，作出铺往联合支护、常规喷　锚支护典型断ｉ：ｄｌＤ边墙收敛、拱顶下　Ｃ　时¨１１线，女¨　５、　Ｉ　６所示。　由Ｉ冬Ｉ　５町以胥出：　开始的　５火。锚注联俞史　护断面‘Ｊｊ常规喷锚支护断面的边墙收敛数值及　化　趋势大敛相卜，－Ｉ；５　ｄ以后．二者ｆｆ｛脱明　蓐　，锚　联　合支护断面在１】ｄ后变形达到稳定，最人收敛变形　为６Ｏ　ｎｍ１。常规喷锚支护断面　３５　ｄ　变形才　到　本稳定．最大收敛变形达１　２２￣ｎｔＹｌ。ＩＩＩ　６川‘行　ｆｌ１：在歼始的前　ｌ天，铺　联合支护断　ｊ常　喷锚　支护断　的拱顶Ｆ沉数他及变化趋势犬敛相¨；１　ｃｌ　以后．一　行出现【ＪＩＪ显差异，锚注联合支护断　ｌ　５　ｄ　后变形达到稳定，拱顶下沉最大ｆ＿ｆＩ（为３】Ｉｌｌｌ＇ｎ，常　喷　锚支护断面　３５　ｄ后　变形达到　小稳定．拱顶下　｝）ｃ最大值达６３　ｎ１ｍ。　日十问，ｌｌ　两种支护方式边墙收敛历时曲线　时间，ｄ　图“不同支护方式拱顶下沉降历时曲线　（下转第６　页）　表１主梁线形各影响因素敏感程度排序　管理单位可根据敏感因素的敏感程度采取针对性管　理策略，以求达到更好的成桥状态。　（参考文献］　［１］匡树钧．斜拉桥施工监控技术［Ｊ］．山西建筑，２００８，３４（８）：３３３　～３３４．　［２］郝中海．五河口斜拉桥施工质量监理［Ｍ］．北京：人民交通出版　社，２００９．　表２拉素索力各影响因素敏感程度排序　［３］王君．大跨度预应力混凝土连续梁桥施工监控与结构仿真分　析［Ｄ］．合肥：合肥工业大学，２０１２．　［４］顾安邦，范立础．桥梁工程（下册）［Ｍ］．北京：人民交通出版　社，２００５．　［５］项海帆．高等桥梁结构理论［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００２．　［６］刘旭政，黄平明，许汉铮．独塔斜拉桥参数敏感性分析［Ｊ］．长安　大学学报（自然科学版），２００７，２７（６）：６３￣６６．　［７］　中交第二航务工程局有限公司．斜拉桥——公路桥梁施工系列　８结束语　本文以成桥阶段主梁变形、拉索索力作为控制目　标。对主梁自重、温度、主梁弹性模量、索力、预应力　参数５个参数的敏感性进行了分析。并根据分析结　手册［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２０１４．　［８］张自荣，薛社，２０１０．　进．斜拉桥施工监理技术［Ｍ］．北京：人民交通出版　［９］岳东杰．现代大型斜拉桥塔梁施工测控技术［Ｍ］．北京：科学出　版社，２０１２．　［１ｏ］完海鹰，许利星，马庆宏．单索面矮塔斜拉桥结构设计参数敏感　性分析［Ｊ］．工程与建设，２０１２，２６（３）：３４９￣３５１．　果将各参数对主梁线形、索力的影响程度进行排序。　经过分析可知，对斜拉桥成桥安全度敏感性程度较大　的参数是主梁自重、拉索索力＿１　、昼夜温差等。因　此、施工单位在施工中应严格对这些因素进行控制，　（上接第６８４页）　Ｉｌ１］王涛．矮塔斜拉桥的施工监控技术研究［Ｄ］．合肥：合肥工业　大学，２０１２．　［１２］续若楠．矮塔斜拉桥施工控制与索力优化研究［Ｄ］．南京：东南　大学，２０１ｉ．　［参考文献］　Ｅｌｉ王梦恕．中国隧道及地下工程修建技术［Ｍ］．北京：人民交通出　版社，２０１０．　现场监测结果表明，锚注联合支护与常规喷锚支护相　比，洞室变形明显减小，变形达到稳定的时间明显缩　短；锚注联合支护对大埋深隧道软弱、破碎围岩变形　有很好的控制效果。数值计算结果、现场实测资料均　［２］李鹏飞，赵　勇，刘建友．隧道软弱围岩变形特征与控制方法　［Ｊ］．中国铁道科学，２０１４，３５（５）：５５￣６１．　［３］李伟平．公路隧道穿越软弱围岩的变形与控制方法［Ｊ］．现代隧　道，２００９，４６（２）：４４￣４９．　表明：锚注联合支护对大埋深、软弱破碎围岩隧道有　较好的支护效果，适宜于大埋深条件下软弱、破碎围　岩隧道的支护。　［４］黄明琦，郭衍敬，张斌．软弱围岩大断面隧道径向注浆变形的　控制［Ｊ］．北京工业大学学报，２００７，３３（５）：５１２￣５１６．　［５］蔡美峰．岩石力学与工程［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２．　４结束语　解析分析表明，在大埋深条件下，软弱、破碎围岩　隧道支护宜选择以提高围岩强度为主、适当提高支护　力为辅的支护方法，通过提高围岩的“自承”能力来达　［６］ＧＢ　５００８６－－２００１，锚杆喷射混凝土支护技术规范［Ｓ］．　［７］耿伟，刘成禹．隧道松散破碎软弱围岩管锚与注浆联合支护技　术［Ｊ］．铁道标准设计，２００７（Ｓ１）：１３０￣１３４．　［８］华心祝，吕凡任，谢广祥．管锚与注浆软岩巷道流变研究［Ｊ］．岩　石力学与工程学报，２００３，２２（２）：２９７￣３０３．　到控制围岩变形、保证洞室稳定的目的。数值计算、　现场实测资料表明，利用管式锚杆兼作注浆管，通过　注浆加固提高围岩强度和锚杆锚固力的锚注联合支　护技术对大埋深条件下软弱、破碎围岩隧道有较好的　支护效果，适宜于大埋深条件下软弱、破碎围岩隧道　的支护。　６９２《工程与建设》２０１６年第３Ｏ卷第５期　［９］赵喜斌．管式锚杆提高破碎软弱围岩支护效果的理论与实践　［Ｊ］．隧道建设，２００９，２９（１）：ｌ～６．　［１ｏ］刘全林，杨　敏．软弱围岩巷道锚注支护机理及其变形分析　口］．岩石力学与工程学报，２００２，２１（８）：１１５８￣１１６１．　［１１］李红军，刘成禹，李　云．锚注联合支护效果的数值模拟研究　［Ｊ］．铁道工程学报，２０１０，２７（７）：１～５．　［１２］郝哲．岩体注浆理论与应用［Ｍ］．北京：地质出版社，２００６．