软弱隧道围岩锚杆支护效应的落门试验研究

1引言
随着我国经济的发展和科技的进步，在交通、能源、采矿、水电和国防等领域有越来越多的隧道需要修建。隧道工程建设的规模越来越大，遇到的岩土及工程地质问题也越来越复杂，尤其是在软弱破碎岩体中这类问题更为突出，表现在围岩变形过分或失稳破坏，最终引发塌方事故等。因此，研究软弱隧道围岩稳定性及其锚固效应和作用机理，已成为国内外众多学者关注的重点问题之一。尽管上述研究已取得了大量有益的成果，但由于软弱岩体材料自身的复杂性，其力学响应规律尚未得到统一的认识，对于一些复杂地下工程问题而言，目前仍需要通过模型试验来研究。这是因为模型试验可以比较全面地、真实地模拟复杂地下工程结构、复杂地质构造、复杂地下岩层组合关系，从而在机理研究尚不明朗的情况下避开“描述机理”的尴尬，而直接利用物理实体的“内置的”机理“自觉地”生成试验过程和结果。
本文主要以软弱破碎岩体为对象，开展了模拟隧道开挖的室内相似模型试验，在此基础上对隧道围岩的渐进性破坏特征及锚杆的加固效应进行了研究。研究结果将为软弱隧道围岩稳定性评价和加固设计提供必要的借鉴和指导，从而有助于提高工程岩体的自稳能力。
2模型比例及相似材料
本试验主要是针对较为软弱的Ⅳ级围岩开展研究，其对应的岩体力学参数可参照《公路隧道设计规程》选取，详见表1。
对于岩石类隧道来说，其相似模型试验属于地质力学模型试验的范畴，其所涉及到的最主要相似关系有几何相似比Cl、应力相似比Cσ和重度相似比Cr等。根据地质力学模型试验的相似要求，上述相似指标之间应满足Cσ=ClCr的要求。
综合考虑试验要求和试验条件等因素，并根据上述相似判据的要求，经过对多个模型比例尺方案0的分析比较，最后选定几何相似比Cl=50、应力相似比Cσ=1和重度相似比Cr=1。在经历上百次的反复试验后，最终确定以重晶石粉、砂、石膏、水等数种材料按照一定的配比拌合，再将其按照一定的密实度压实后，便可得到符合表1力学参数要求的模型地层。


3模型比例及相似材料
3.1试验模型及土箱
为了模拟隧道开挖面的破坏情况，特制作了如图1所示的铁箱，箱体尺寸为400mm×400mm×300mm。箱体顶部敞口，以便填土；正立面采用有机玻璃，从而方便观察隧道开挖过程中岩体的变形，其余各侧面均采用钢板围焊；箱体底部设活动板一块，当箱内填满模型岩体后，抽出该活动板，即可模拟隧道岩体的开挖。为了减少模型地层和箱壁的摩擦阻力，在箱体的内壁上涂上一层润滑油脂。试验过程中，在岩体表面均匀地施加面力，采取分级加载、超载加压的方式来研究隧道开挖过程中围岩的破坏模式。


3.2试验量测项目
如图2所示，为了量测地表变形，在对应隧道中线位置布置位移传感器C050，在隧道边界处布置C051。此外，为了量测隧道开挖过程中岩体内部的应力变化情况，故在铁箱中不同部位分别布置压力传感器，用以量测竖向应力和水平向应力的变化情况，其中C040，C042，C044，C046，C048用来量测隧道拱顶上方切向应力变化值，而C041，C043，C045，C047，C049用来量测竖向应力变化值。


3.3试验工况
为了模拟软弱围岩在有锚杆支护情况下隧道拱顶的变形破坏情况，本次试验中沿轴线方向布设锚杆，即横向每隔50mm布置一列锚杆，其中在箱底活动板门范围内布置3列直径2.0mm、长度400px的铜管；而在活动板门两边上各布置1列直径2.0mm、长度400px的铜管，共计5列，每列7根锚杆，如图3所示。此处所用的锚杆在全段刻槽，其上再涂一层环氧树脂，用来模拟全长粘结性锚杆。图4给出了隧道开挖前的试验模型照片。


4试验结果分析
4.1加载及破坏情况


当滑动门落下时，由于有锚杆的支承作用，在箱体的底部仅出现如图5（a）所示的局部塌落。随着上覆荷载P的增大，塌落范围变化不大；直至荷载增加至5.74kPa时，塌落区才继续向上发展形成如图5（b）所示的断面形状，塌落高度约125px，并有锚杆出露。当上覆荷载达到7.33kPa时，塌落拱上方左右两侧对称地出现新的裂缝，其位置在锚杆顶部以上，如图5（c）所示；当荷载继续增加至8.29kPa时，原有塌落拱位置处出现新的向上延伸的裂缝，并且在锚杆顶部以上的岩体中又出现新的裂缝，如图5（d）所示。随着上覆荷载进一步增加至8.61kPa，塌落拱处的裂缝继续向上扩展，并逐渐闭合形成一新的拱形，其拱顶位置基本与锚杆顶端重合；与此同时，锚杆上方的裂缝也在继续扩展，并有水平离层裂缝出现，如图5（e）所示。当上覆荷载继续增加至9.24kPa时，塌落范围扩大，同时在锚杆顶部以上岩体中的裂缝继续向外扩展，如图5（f）所示。当上覆荷载增加至9.41kPa并保持稳定时，塌落范围也继续扩大，最终的破坏断面如图5（g）所示，塌落高度约250px。


从上述岩体的破坏过程来看，隧道开挖后，拱顶上方围岩的破坏是渐进的，并随着上覆超载的增大而逐步向上、向外扩展；其次，由于有锚杆的支承作用，尽管隧道跨度较大，但在隧道开挖完成后并未立即出现较大的塌落区；再者，一个很有趣的现象就是，超载加压会引起锚杆外围的远场岩体出现裂缝；此外，由于拱顶上方锚杆的挤压、悬吊作用非常明显，在加载结束后，尽管拱形裂缝已扩展至锚杆的顶部，但真正塌落下来的岩体只占锚杆长度的60%左右；最后，拱顶上方岩体的破坏范围主要集中在隧道两侧与水平面成56°（约为45°+φ/2）之上的范围内。
4.2岩体表面位移变化情况
图6给出了地表变形随上覆压力变化的关系曲线。当上覆荷载小于3.83kPa时，地表变形不是很明显，此时岩体的塌落范围主要如图5（a）所反映的范围；当上覆荷载达到5.74kPa时，地表位移增加较为明显，此时岩体的塌落情况对应图5（b）所反映的范围；当上覆荷载达到6.38kPa时，地表沉降变形较为明显，一直到荷载增加至9.24kPa时，地表出现较为剧烈的沉降变形，此时对应塌落拱上方出现众多新的裂缝。
4.3岩体内部应力变化情况


（1）水平向应力变化图7为试验过程中拱顶上方岩体内部各点处水平向应力增量随时间的变化情况，图8给出了不同加载时刻对应的不同深度处的岩体水平向压力增量，亦即切向应力增量分布曲线。




可以看出，当隧道开挖后，随着上覆超载的增加，拱顶上方各点处岩体的水平向应力增量随之增大，尤其以位于锚杆支承范围之上的-50mm、-100mm处的压力上升最为明显。当上覆荷载增加至5.74kPa后，拱顶上方岩体出现塌落，此后各点的应力趋于稳定。当荷载继续增至6.38kPa时，除-100mm处应力较为稳定外，其它各点处的应力均有所上升，这种状况一直持续到上覆荷载达到8.29kPa时，此时-50mm处的应力也开始趋稳。之所以会出现这种情况，是因为在拱顶左右两侧的-100mm处对称地出现了新的裂缝，并向上延展至拱顶中心的-50mm处，如图5（c）、（d）所示。当上覆荷载继续增加至8.61kPa时，位于-250mm处的水平向应力急剧增加，并在9.24kPa时达到峰值，之后急剧下降，此时拱顶岩体出现新的塌落。当荷载达到9.24kPa时，-50mm处的水平应力开始下降，而位于-150mm、-200mm处的应力则急剧上升，随后拱顶岩体继续塌落，如图5（f）、（g）所示。由此可见，拱顶岩体的不断塌落过程，对应着拱顶之上岩体的切向应力增大，且应力升高区域最明显的是-100～-50mm位置，即距拱顶约1～1.25B的范围（B为隧道跨度）；当荷载增加到一定程度后，该处的应力不再升高，即超出岩体的极限强度后，应力升高区则转而集中到靠近隧洞拱顶位置处，并最终致洞顶处塌落。
（2）竖向应力变化
图9表示试验过程中岩体内部各点处竖向应力增量随时间的变化情况，图10给出了不同加载时刻对应的不同深度处的岩体竖向压力增量，亦即径向应力增量分布曲线。




当隧道开挖后，靠近地表的-50mm处的竖向应力略有减小，而其它各点处的压力则有所升高，此种情况一直到荷载增加至5.74kPa时，即对应如图5（b）所示的拱形塌落，这说明在锚杆顶端之上的岩体易于出现向下的离层趋势，故而压力下降。当荷载继续增加时，-100mm处的压力开始下降，而位于-150mm，-200mm和-250mm处的竖向应力持续增加，尤以-200mm处的压力升高最为明显，而岩体也是最终塌落至-200mm处位置。从图5（g）可以看出，拱顶上方形成松动圈后，-100mm位于离层裂缝之下，故而压力降低；而由于锚杆的挤压、销钉作用，-150mm，-200mm和-250mm处的岩体则形成塌落承载拱，故而应力升高，这一点可从图11看出。


5结论
本文以Ⅳ类软弱围岩为参照对象，开展了模拟锚杆支护条件下隧道开挖的室内活动门相似模型试验，研究了隧道围岩的渐进破坏特征及其破坏模式，并得出了以下结论。
（1）在软弱围岩中进行隧道开挖，将会在隧道周边形成一应力扰动区，而真正塌落成拱的只是该扰动区的一部分。拱顶围岩的破坏是渐近的，并随着上覆超载的增大而逐步向上、向外扩展。
（2）由于有锚杆的支承作用，超载加压会引起锚杆外围的远场岩体出现裂缝，呈分区破坏模式。在加载结束后，尽管拱形裂缝已扩展至锚杆的顶部，但真正塌落下来的岩体只占锚杆长度的60%左右，拱顶上方岩体的破坏范围主要集中在隧道两侧与竖直面成45°+φ/2的区域内。
（3）在拱顶岩体的不断塌落过程中，由于锚杆的悬吊挤压作用，使得拱顶之上的岩体切向应力增大，应力增大区域首先出现在距拱顶约1～1.25B的范围，而后则主要集中在隧洞拱顶位置，并最终致洞顶处塌落；另一方面，拱顶上方岩体松动后，由于锚杆的挤压、销钉作用，使得残余强度区岩体形成塌落承载拱，故而有利于隧洞围岩的稳定。