大埋深軟巖隧道錨桿支護效果分析及長度優化

■郭俊彪

（山西路橋第六工程有限公司，晉中 030600）

高應力軟巖隧道支護加固問題是山嶺隧道施工過程中常遇到的難題之一[1-2]，在該條件下施工中經常會遇到隧道拱頂離層破壞以及彎折內鼓等現象，而采用錨桿支護體系可以較好地解決這一問題[3-4]。近年來，國內學者對此進行了一些研究，主要有：王志福[5]以公路隧道開挖支護為研究對象，重點分析了不同支護方式下的隧道變形和受力特性，并對初期支護參數進行了優化分析。 鄭瑞永[6]結合工程實例， 隨隧道IV 級圍巖段錨桿支護結構進行數值模擬分析， 重點對錨桿環向間距進行優化計算，從而得出適合該項目的錨桿長度。 常偉[7]以特長公路隧道為研究對象，采用有限元模擬方法對支護方案進行了優化分析，并結合試驗數據進一步證明了優化結果較為合理。 本研究主要以隧道工程開挖支護為試驗對象，對2 種不同支護體系的支護效果進行了建模與比較，并從圍巖變形、應力、軸力和塑性區變化等方面對錨桿長度進行了優化分析，結果可為類似工程設計提供參考。

1 工程概況

某山嶺隧道工程全長約932.6 m， 隧道中心埋深約為364.2 m， 最大凈寬是9.96 m， 最大凈高是8.13 m，山頂喬灌木茂密，局部發育陡峭山崖。 該區域內主要分布砂巖和變質巖， 圍巖以V 級為主，結構較為松散、破碎，圍巖穩定性差。 隧道開挖采用“錨桿+鋼拱架+噴射混凝土+二次襯砌” 支護方式，采用臺階法施工，錨桿支護斷面示意圖見圖1。

圖1 錨桿支護斷面示意圖

2 數值建模及分析

2.1 模型建立

為分析隧道結構受力情況，采用FLAC3D 軟件建模進行計算，模型長寬高均為100 m（圖2）。 隧道中心埋深約為364.2 m， 隧道最大凈寬和凈高分別為9.96 m 和8.13 m，隧道支護形式“錨桿+鋼拱架+噴射混凝土+二次襯砌”， 初支噴漿厚度為5 cm，二次襯砌厚度為40 cm。為了研究錨桿的支護作用，本研究僅對初期支護進行分析， 設置2 種初支方式，支護方式1 為鋼拱架支護，支護方式2 采用“鋼拱架+錨桿”支護體系，鋼拱架采用HW200b 型鋼，鋼支撐間距為50 cm。 錨桿長度取8 m，直徑取28 mm，環向和縱向間距均為100 cm，梅花形布置，橫斷面上共計53 根，采用摩爾庫倫本構模型，除模型上邊界外，其他邊界均進行位移和邊界約束。 圍巖和支護材料的物理力學參數見表1、表2。

圖2 數值模型圖

表1 圍巖的物理力學參數

表2 支護材料的物理力學參數

2.2 支護方案分析

2 種不同支護方式時的隧道豎向位移云圖見圖3。由圖3 可知，采用支護方式二時的圍巖豎向變形要小于支護方式1。當采用支護方式1 時，拱頂最大沉降值和拱底最大隆起值分別為309.5 mm 和260.3 mm；當采用支護方式2 時，拱頂最大沉降值和拱底最大隆起值分別為258.2 mm 和243.3 mm。采用支護方式2 時拱頂最大沉降值和拱底最大隆起值分別相比減小了16.6%和6.5%。

圖3 隧道豎向位移云圖

2 種不同支護方式時的隧道豎向應力云圖見圖4。 由圖4 可知，當采用支護方式1 時，拱頂和拱底應力值分別為3.74 MPa 和0.62 MPa，最大集中應力值為36.4 MPa；當采用支護方式2 時，對應的值分別為5.25 MPa 和0.79 MPa，最大集中應力值為25.5 MPa。 即采用支護方式2 時改善了應力分布，使得應力集中現象得以減小。

圖4 隧道豎向應力云圖

綜上可知，采用支護方式2 效果更好，說明錨桿發揮了重要的支護作用。

3 錨桿長度優化分析

為了對錨桿的長度進行優化分析，本研究主要分析圍巖位移、圍巖應力、錨桿軸力和圍巖塑性區隨錨桿長度的變化規律，錨桿長度分別取4、6、8、10和12 m。

3.1 圍巖位移變化規律

拱頂位移隨錨桿長度變化曲線見圖5， 圖中分別給出了x、y 和z 方向的位移。由圖5 可知，由于隧道的對稱性，隨著錨桿長度的增大，拱頂沿x 方向位移基本為0 且不變。 y 方向的位移主要與掌子面應力釋放有關，隨著錨桿長度的增長，y 方向位移有減小的趨勢，但減小量不明顯。 對于z 方向位移，錨桿長度分別取4、6、8、10 和12 m 對應的位移量分別為255.3、246.1、238.7、230.6 和225.1 mm，相比于錨桿長度取4 m 時，錨桿長度取6、8、10 和12 m 時對應的隧道拱頂z 方向位移量減小了3.6%、6.5%、9.7%和11.8%。

圖5 拱頂位移隨錨桿長度變化曲線

拱底位移隨錨桿長度變化曲線見圖6。 由圖6可知，隨著錨桿長度的增大，拱頂沿x 方向位移同樣基本為0 且不變。 y 方向位移隨著錨桿長度的增長有減小的趨勢，但減小量不明顯。 對于z 方向位移，錨桿長度分別取4、6、8、10 和12 m 對應的位移量分別為230.6、221.0、216.9、207.4 和198.5 mm，相比于錨桿長度取4 m 時， 錨桿長度取6、8、10 和12 m 時對應的隧道拱底z 方向位移量減小了4.2%、5.9%、10.0%和13.9%。

圖6 拱底位移隨錨桿長度變化曲線

3.2 圍巖應力變化規律

拱頂應力隨錨桿長度變化曲線見圖7， 圖中分別給出了最大和最小主應力。 由圖7 可知，隨著錨桿長度的增大，最大和最小主應力值均減小。 對于最大主應力，錨桿長度分別取4、6、8、10 和12 m 對應的最大主應力值分別為-10.3、-12.9、-14.5、-14.8和-15.1 MPa，相比于錨桿長度取4 m 時，錨桿長度取6、8、10 和12 m 時對應的隧道拱頂最大主應力值減小了25.2%、40.8%、43.7%和46.6%。 對于最小主應力，錨桿長度分別取4、6、8、10 和12 m 對應的最小主應力值分別為-0.9、-2.4、-3.1、-3.6 和-3.8 MPa，相比于錨桿長度取4 m 時，錨桿長度取6、8、10 和12 m 時對應的隧道拱頂最大主應力值減小了1.7、2.4、3.0 和3.2 倍。

圖7 拱頂應力隨錨桿長度變化曲線

拱底應力隨錨桿長度變化曲線見圖8，圖中分別給出了最大和最小主應力。 由圖8 可知，隨著錨桿長度的增大，最大主應力值均減小，最小主應力基本不變。 對于最大主應力， 錨桿長度分別取4、6、8、10 和12 m 對應的最大主應力值分別為-10.0、-10.3、-11.6、-11.8 和-11.8 MPa，相比于錨桿長度取4 m 時，錨桿長度取6、8、10 和12 m 時對應的隧道拱頂最大主應力值減小了3.0%、16.0%、18.0%和18.0%。

圖8 拱底應力隨錨桿長度變化曲線

綜上可知，當錨桿長度超過8 m 時，拱頂和拱底應力減小不再明顯， 但從降低應力方面考慮，錨桿長度取8 m 最佳。

3.3 錨桿軸力變化規律

拱頂錨桿軸力隨不同錨桿長度變化曲線見圖9。 由圖9 可知，無論錨桿長度如何，均表現為錨桿兩端軸力較小，中間軸力較大的規律。 當錨桿長度分別取4、6、8、10 和12 m 對應的錨桿最大軸力分別為62.5、91.0、118.2、136.4 和158.6 kN，相比于錨桿長度取4 m 時，錨桿長度取6、8、10 和12 m 時對應的錨桿最大軸力分別增大了0.46、0.89、1.18 和1.54 倍。 此外，錨桿長度為4、6、8、10 和12 m 對應的錨桿最大軸力位置分別在錨桿的3/4、2/3、5/8、3/5和7/12 位置處，即拱頂錨桿最大軸力值位于錨桿中后部，且隨著錨桿長度的增大，最大軸力位置逐漸向錨桿中部移動。

圖9 拱頂錨桿軸力隨不同錨桿長度變化曲線

拱底錨桿軸力隨不同錨桿長度變化曲線見圖10。由圖10 可知，其軸力變化規律與拱頂錨桿類似。 當錨桿長度分別取4、6、8、10 和12 m 對應的錨桿 最 大 軸 力 分 別 為65.3、91.2、113.5、142.6 和170.8 kN，相比于錨桿長度取4 m 時，錨桿長度取6、8、10 和12 m 時對應的錨桿最大軸力分別增大了0.40、0.74、1.18 和1.62 倍。 此外，錨桿長度為4、6、8、10 和12 m 對應的錨桿最大軸力位置均在錨桿的1/2 位置處，即拱底錨桿最大軸力值基本位于錨桿中部。

圖10 拱底錨桿軸力隨不同錨桿長度變化曲線

3.4 圍巖塑性區變化規律

圍巖塑性區開挖破壞總面積隨錨桿長度變化柱狀圖見圖11。 由圖11 可知，錨桿長度取4、6、8、10 和12 m 時對應的圍巖塑性區開挖破壞總面積分別為45.02×103、42.92×103、41.74×103、41.35×103和41.16×103m3，相比于錨桿長度取4 m 時，錨桿長度取6、8、10 和12 m 時對應的圍巖塑性區開挖破壞總面積依次減小了4.7%、7.3%、8.2%和8.6%。 即隨著錨桿長度的增大，圍巖塑性區破壞總面積減小，但減小的速率逐漸降低，尤其在錨桿長度超過8 m之后，減小非常緩慢。

圖11 圍巖塑性區面積隨錨桿長度變化規律

4 結論

本研究主要以隧道工程開挖支護為研究對象，分析了采用“鋼拱架+錨桿”支護體系的支護效果，并從圍巖變形和受力等方面對錨桿長度進行了優化分析，得到以下結論：（1）相比于采用單一的“鋼拱架支護”，采用“鋼拱架+錨桿”支護體系效果更好，說明錨桿發揮了重要的支護作用。 （2）增大錨桿長度可以一定程度上減小隧道開挖變形，隨著錨桿長度的增大，拱頂最大和最小主應力值以及拱底最大主應力值均減小， 拱底最小主應力基本不變，當錨桿長度超過8 m 時，拱頂和拱底應力減小不再明顯。 （3）隨著錨桿長度的增大，拱頂和拱底錨桿最大軸力基本呈線性增大趨勢，且拱頂錨桿最大軸力值位于錨桿中后部，拱底錨桿最大軸力值位于錨桿中部。 （4）錨桿長度增大后圍巖塑性區破壞總面積會減小，但減小的速率逐漸降低，尤其在錨桿長度超過8 m 之后，減小非常緩慢。 綜上，錨桿長度取8 m時最佳。