節理發育巖體隧道錨桿支護參數優化研究

游 貴 良

(同濟大學，上海 200092)

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節理發育巖體隧道錨桿支護參數優化研究

游 貴 良

(同濟大學，上海 200092)

結合內蒙古窯溝隧道，通過UDEC離散元軟件數值模擬手段研究錨桿環向布置范圍、間距對隧道結構變形與穩定性的影響，進而將錨桿原設計參數——環向布置范圍216°、間距1.0m優化為環向布置范圍90°、間距1.0m，并證明了其合理性，對類似工程具有一定的參考價值。

節理，系統錨桿，參數優化，離散元軟件

0 引言

節理的存在，使得巖體被分割成不連續介質，因而往往成為影響隧道圍巖穩定性的決定性因素[1-]4〗。錨桿支護作為公路隧道中支護方式的重要組成部分，它和噴射混凝土一起構成柔性支護，從而約束圍巖變位，并與圍巖共同形成支承環結構，因而在初期支護中起著重要的作用。然而，當前依然存在著錨桿支護參數選取不盡合理，錨桿作用未能充分發揮而造成支護材料浪費和支護成本增加的現象。因此，有必要對錨桿支護參數進行合理設計和優化。

本文依托內蒙古窯溝隧道，針對近水平層理和豎向節理發育的典型地層，將巖體視為非連續介質，在參照規范和以往工程經驗的基礎上，利用UDEC離散元軟件建立二維計算模型，通過改變錨桿環向布置范圍、環向間距、徑向長度，計算結構變形量，研究錨桿參數對隧道結構變形與穩定性的影響規律，進而提出錨桿支護參數的優化方案，為后續施工與支護設計提供指導，并為類似工程提供一定參考價值。

1 工程概況及參數選取

1)依托工程。

本文依托工程為榮烏高速十七溝至大飯鋪段窯溝隧道出口段ZK54+510～ZK54+370區段，該區段以灰巖為主，具硬質巖特性，屬Ⅴ級圍巖；存在近水平層理和豎向節理，部分有充填物，呈剪性。出口段埋深約為22.18m，斷面高9.31m，寬12.62m。運用地質素描、統計分析手段對圍巖節理特征優化描述如表1所示。圖1為斷面ZK54+380的CAD重構圖。

表1 優化節理特征參數

依據現場地勘資料，并結合工程經驗，取圍巖的楊氏模量和泊松比分別為3.1GPa和0.32。節理面力學參數參考文獻取值，圍巖和節理面力學參數取值見表2。

2)模型建立。

考慮隧道的邊界影響范圍，地層范圍設置為：上邊界取至地表，下邊界自洞室中心向下取1.5倍洞高，兩側自洞室中心向外各取3倍洞寬。節理模型選取庫侖滑動材料模型。

表2 巖體、節理力學參數

3)錨桿設計參數。

隧道原有錨桿設計參數為錨桿環向布置范圍216°，間距1.0m，徑向長度3.5m。

本文擬對原有錨桿設計參數進行優化，選取錨桿長度2.0m～4.0m；錨桿環向間距0.8m～1.5m；錨桿環向布置范圍60°～180°，呈梅花形布置，研究錨桿設計參數對隧道圍巖穩定性的影響，提出錨桿參數優化方案。

2 錨桿環向布置范圍

取錨桿環向布置范圍為60°,90°,120°和180°不等，其他設計參數不變，進行數值模擬。

計算得到各工況下圍巖變形云圖，如圖2所示，隧道拱頂上方出現不均勻的沉降，沉降值的大小從0mm到約10mm不等。為了便于統計分析，依據圖例將變形區域按照沉降值的不同加以分類，即將圍巖按照大于8mm，6mm～8mm，4mm～6mm和2mm～4mm的沉降值劃分為A,B,C,D四類。沉降面積統計結果如表3所示，以60°工況為基準，計算不同工況下各類沉降區域面積(沉降大于4mm)與其的比值，并繪制其變化曲線，如圖3所示。

表3 錨桿環向范圍不同工況下圍巖變形面積統計表

如圖3所示，錨桿環向布置范圍增加時，拱頂沉降值的變化幅度以90°為分水嶺，60°→90°時，拱頂沉降值大于10mm，圍巖松動范圍減幅最大(其中大于8mm沉降區域減幅約75%)；超過90°時，拱頂沉降值約為8mm，圍巖松動范圍減幅不明顯。

綜合考慮隧道結構安全儲備與工程經濟成本，針對該條件下的地層，施作隧道系統錨桿支護時，并非錨桿環向布置范圍越大越好，該隧道環向布置范圍取90°左右為宜。

3 錨桿環向間距

取錨桿環向布置范圍為90°，錨桿環向間距取0.8m,1.0m,1.2m和1.5m不等，研究錨桿環向間距的設定。

數值計算得到不同錨桿環向間距工況下圍巖變形云圖見圖4，如上一節所述方法，將圍巖按不同的沉降值劃分為A～D四類。表4為各沉降區域對應的統計面積，以間距1.5m工況數據為基準，計算不同工況下各類沉降區域面積與其相對比值，其變化曲線見圖5。

表4 錨桿環向間距不同工況下圍巖變形面積統計表

分析表4及圖5，大于1.2m間距時，拱頂沉降大于10mm，小于1.2m間距時，拱頂沉降穩定在8mm，變化不大；并且在1.5m→1.2m間距范圍內，圍巖松動范圍減幅最為明顯，1.2m→1.0m間距范圍內的圍巖松動范圍減幅其次，當錨桿環向間距小于1.0m時，圍巖松動范圍減小很少，可以認為當錨桿間距小于1.0m時，繼續加密錨桿并不能再明顯地提升對圍巖的加固效果，未能充分發揮錨桿的錨固作用，造成支護材料的浪費。綜合考慮隧道結構安全儲備與工程經濟成本，建議該隧道錨桿環向間距取1.0m。

4 結語

本文通過數值模擬，針對具有近水平層理和豎向節理的隧道，研究了隧道錨桿的環向布置范圍、環向間距和錨桿長度等三種主要設計參數對圍巖支護效果的影響，并對支護參數進行合理的優化：

1)錨桿環向布置范圍處于60°～90°區間時，隨著錨桿環向布置范圍的增大，拱頂沉降值與圍巖松動范圍快速減小，大于90°時，隨著錨桿環向布置范圍增大，圍巖變形區域和最大沉降值減小并不明顯。所以，建議錨桿環向布置范圍取值90°；

2)錨桿環向間距處于1.5m～1.0m區間時，隨著錨桿環向間距的減小，拱頂沉降值與圍巖松動范圍均發生較大幅度的減小，而間距小于1.0m時，隨著錨桿間距增大，圍巖變形降低并不明顯。所以，建議錨桿環向間距取值1.0m。

[1]陳國柱，段群苗.節理特征對隧道變形影響的數值模擬研究.現代隧道技術，2012(sup)：89-93.

[2]李 軍,吳惠卿,王彥杰，等.節理特征和圍巖支護對隧道變形的影響分析.施工技術,2013(3):82-86.

[3]陳國柱.節理對隧道變形的影響研究.上海：同濟大學，2012.

[4]索超峰，石益東，李 軍.節理特征對破碎圍巖穩定影響的模型試驗.公路交通科技，2013，30(4)：83-87.

[5]蔣 坤.節理巖體中特大斷面小凈距隧道圍巖穩定性研究.上海：同濟大學，2010.

Parametersoptimizationofboltingforjointedrocktunnel

YouGuiliang

(Tongji University, Shanghai 200092, China)

RelyingonYaogoutunnelofInnerMongolia,byusingdiscreteelementsoftwareUDEC,tostudyontheeffectofcircumferentialinstallationrangeandcircumferentialspacingoftheboltsondeformationandstabilityofthetunnelstructure,furthertooptimizetheparametersofbolts.Changedthedesignparametersoftheoriginalbolts——circumferentialinstallationrange216°,circumferentialspacing1.0m,tocircumferentialinstallationrange90°,circumferentialspacing1.0m,provedtherationalityandhavingacertainreferencevaluetothesimilarengineering.

joint,systematicbolts,parameteroptimization,discreteelementsoftware

1009-6825(2015)01-0165-03

2014-10-28

游貴良(1987- )，男，在讀碩士

U

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