黄土隧道锁脚锚管合理宽度分析

黄土隧道锁脚锚管合理宽度分析

中国的黄土面积约为64万公里。近年来，黄土地区快速客运线路和公路隧道的建设进入了快速发展阶段。黄土隧道在开挖过程中容易存在由于外荷变化和入渗引起的应力和湿度分布变化问题,导致开挖隧道过程中黄土的结构性变弱,由此引起隧道安全事故。为了防止出现塌方事故,锁脚锚管在黄土隧道施工中被广泛应用。黄土隧道中的锁脚锚管是在隧道上台阶开挖完成架设钢拱架后,将其根部固定的工序。锁脚锚管不同于锚杆,锚杆的主要作用是约束围岩自身变形,而锁脚锚管的主要作用是尽可能限制钢拱架的自由变形,使其及时承担围岩变形引起的压力,保证隧道初期的稳定性。钢拱架安装完成后,如果不进行及时锁脚,围岩的变形可能促使钢拱架发生刚体位移,从而不利于支护结构内力的发挥。在目前隧道的施工过程中,锁脚的问题已经被多次提出,普遍认为锁脚可以有效减小围岩变形,提高初期支护的自稳能力,增加自稳时间,减少因下台阶或仰攻开挖造成初期支护悬空而导致的下沉量。虽然锁脚锚管在工程施工中被广泛使用,但是目前并没有文献系统揭示锁脚锚管对支护结构进行补强的机理。本文在对比优化锁脚锚管数值模拟方法的基础上,分析它对围岩变形的影响,定量总结锁脚锚管的作用,提出设计中考虑锁脚锚管的思路。1锚定期及其工作特点1.1工程现象的表现在黄土地区隧道开挖过程中,受扰动和含水量增加的影响,黄土结构强度降低,容易发生坍塌等不良工程现象。为了防止黄土结构变形对支护结构的影响,防止产生过大沉降,通常采用在支护结构拱脚水平或斜向打入钢管,并与支护结构焊接,这种钢管称为锁脚锚管。锁脚锚管一般采用直径为42,89,109mm的无缝热轧钢管,下插角度在0°～±30°之间变化。锁脚锚管如图1所示。1.2锚管数值模型建立黄土的围岩压力主要是由于开挖卸载、挤压衬砌及土体变形引起的变形压力。变形压力的一部分来自于弹性变形,另外一部分来自于塑性变形。弹性变形是在瞬时释放的,且随着掘进逐渐释放。影响黄土隧道围岩变形和支护内力的因素很多,一类是地质问题,如初始应力状态、节理发育程度、物理力学性质等;另一类问题为工程因素,包括开挖、洞室形状、衬砌设置、衬砌材料等。因此要准确模拟锁脚锚管与围岩压力的关系比较困难,特别是隧道在开挖支护过程中的力学计算公式的假定、参数确定及数值模型的建立,都与一些重要的因素有关,如超欠挖、锁脚、土性参数等。锁脚的作用在于充分发挥钢拱架的早期承载力,承担围岩瞬间的弹性变形及围岩后期的塑性变形,支护结构把作用力传递给锁脚锚管,因此锚管的插入深度及锚管与土体之间的作用力影响着锚管的作用效果。在数值分析时,锚管可以用梁单元、杆单元或界面单元模拟。锚管注浆后具有一定的抗拉能力和抗弯能力,梁单元虽然不能模拟界面的剪切特性,但它能够较合理地反映单元的抗拉、抗弯甚至抗剪特性,在上述三类单元中有较大的优势。目前的关键是确定锚管的计算方法,如在实际施工过程中,可能出现以下3种情况:①锚管打入土体较深,锚管与土体之间没有注入混凝土,锚管两端没有约束,锚管将随着土体一同发生变形,随着围岩压力的增大,土体出现弹塑性变形,而锚管由于强度较高,始终处于弹性变形阶段,此时锚管的作用如同锚杆作用效果,支护结构把围岩压力传递到锚管上。②锁脚锚管打入土体并且在端部注浆,此时打入土体的锚管承受着支护体系传递到锚管与混凝土上的作用力,相当于一端约束(打入部分A),另外一端自由(B),围岩压力发生变形时,锚管承受着拉伸作用,锚管与土体的作用力很小。③将锁脚锚管完全深入土体,并注浆封堵。此时锚管可以看做一个承受围岩压力的钢梁,它随着围岩压力的变化而变化,这种方法最接近实际情况。图2为第三种施工情况下的数值模拟图,比较符合实际情况,A端打入土体内部,通过注浆实现力的传递,B端为锚管与支护结构的连接部分。2锚管结构值的模拟和结果分析2.1d-p模型及支护结构采用Plaxis软件建立三维有限元模型如图3所示。开挖后土体模型采用弹塑性模型,土体材料的非线性按DP材料处理,使用D-P屈服准则。支护结构为钢结构,可以看做理想的弹性材料,模型参数如表1所示。隧道埋深20m,洞径10m。软件模拟隧道的开挖和施工过程,每2.5m一进尺。黏聚力c值及弹性模量E值随着开挖深度发生变化;锁脚锚管EA=3.5×106kN,EI=2.8×104kN/m2,摩擦角φ值恒定不变。2.2发生洞室抗剪破坏黄土隧道在开挖前保持一定的结构强度,开挖开始后在拱顶出现卸荷及扰动,如果不及时支护,土体将不能保持长期的稳定,洞室的塌方首先发生在拱肩或两侧,且随着应力及变形的发展,发生脆性剪切破坏。受力良好的锁角锚管能防止支护出现滑动、变形,进而防止由于支护结构发生滑移、变形而导致的围岩压力或变形增大的现象。2.3锁脚锚管注浆对支护效果的影响锁脚锚管打入长度及角度影响到围岩压力的变化。为了确定不同长度及不同插入角度的锚管对围岩最佳的约束效应,在弹塑性模型中分别对比了0(没有锁角),1.5,3,4.5m长度的锁脚锚管。结果如图4所示。当锚管长度不小于3.0m时,所受的内力、竖向及水平位移开始减小,但是在长度为3.0m时承担的弯矩最大,因此锁脚锚管打入深度为3.0m时可达到最经济的支撑效果。当荷载按照2步、3步、5步、7步、9步法施加时,不同锚管长度的最大内力及变形如图4、5所示。对位移而言,锚管长度越大,变形量越小,2步至3步之间变形较大,此后变形维持不变。从图4、图5可以得出如下结论:(1)锁脚锚管深入长度直接影响到支护效果,锁脚锚管深入越长,变形越小,但长度并非与位移成线性关系,合理的打入长度能更好地发挥锚管的作用。(2)锁脚锚管长度从0(没有锚管)增加到2m时,虽然承担的最大轴力在增加,但是对位移的约束能力并没有增加,说明锁脚锚管深入长度较小时,仅仅是承担了支护传递的拉力,对洞室的位移影响不大。随着长度增加,承担的轴力、位移减小,说明增加锚管长度不但可以约束支护的变形也能增加围岩抵抗变形的能力。(3)当锁脚锚管长度为1.5m时,围岩的变形比没有锁脚时更大,这对围岩稳定极其不利。变形增大的原因是锁脚锚管没有穿透松动层,破坏了岩层,不仅没有约束洞室而且扩大了围岩松动圈范围。(4)在开挖支护过程中,上台阶支护结构的最大位移与荷载步呈双曲线关系,最大位移在第一次下台阶开挖过程中迅速释放,而后逐渐变缓。当掌子面远离支护结构时,其位移基本不变。(5)在整个开挖过程中,锁脚锚管长度为4.5m时,支护结构的变形最小,原因在于长锚管不仅可以约束支护结构的自由变形,而且起到了加固围岩的作用。锁脚锚管长度为1.5m时,支护结构的变形最大,原因在于1.5m锚管仍处于围岩的松动区内。当锁脚锚管长度由1.5m向4.5m变化时,支护结构变形减小的速率在逐渐放缓。(6)当插入值为0m时,此时相当于没有支护结构,随着开挖进行,变形速率初期最大,后期变形趋于稳定。锚管长度为1.5m时的变形量大于没有锚管的时候,主要原因是较短的锁脚锚管不但没有起到支护传递力的作用,反而对洞室有破坏作用,因此变形量最大。锁脚锚管对围岩变形和支护内力的影响比较复杂,在判断锁脚锚管是否有效、合理时,应遵循两条原则:①围岩的变形是否降低;②支护结构的内力是否增大。可以看出,锁脚锚管是否注浆对围岩变形和支护内力均有较大的影响。建议在施工中打入锁脚锚管后,应进行注浆加固,尽量限制锁脚锚管的自由变形。2.4不同进入角度下的位移锁脚锚管角度是指锚管与支护结构法线方向的夹角,见图6,打入角度对围岩的变形影响见图7。锁脚锚管的角度不同,围岩的变形规律亦有较大的差异。锁脚锚管的打入角度为±15°时,围岩的总位移和竖向位移最大,水平位移在0°时最小。从限制围岩变形角度出发,锁脚锚管的打入角度不宜取±15°。锁脚锚管的角度为-30°时,不利于支护结构内力的发挥。开挖过程中,采用不同角度打入锁脚锚管时,支护结构的位移与荷载步的关系呈双曲线型,在相应的下台阶开挖后,位移释放最大,随后逐渐趋于稳定。对比不同的打入角度,0°角时的位移最小,其原因为:①0°角的锁脚锚管垂直于钢拱架根部,有利于钢拱架内力的发挥;②锁脚锚管的方向与位移发生的方向一致,有利于对位移的约束。开挖过程中,打入角度为30°时,最有利于支护结构内力的发挥。因此,在确定打入角度时要根据不同的情况确定。在实际工程中,围岩的变形可用锚杆来限制,且为了方便施工,锁脚锚管的打入角度宜取30°。不同角度打入下,围岩变形规律和支护结构内力不同的原因是:①锚管给支护结构提供的抗力不同;②锚管加固围岩的区域不同。对于锁脚的支护体系,钢拱架的变形不仅受土层的限制,而且受锁脚锚管的约束,这是一种既非铰结,又非完全刚性的固定,属于一种弹性固定。它不仅可以发生各个方向的位移,而且可以产生转动。因此,不论在衬砌内力还是位移的计算中,都应该考虑拱脚运动的影响。3最大限度是以药物为原料隧道工程中,理论解析和数