不同开挖进尺下隧道喷锚支护结构受力分析

谷莉薇

（山西省交通开发投资集团有限公司，山西 太原 030006）

引言

支护结构是保证隧道开挖过程安全的最重要前提，针对支护结构的受力分析，国内已有不少学者应用各种手段，包括现场实测、数值模拟等方式展开了大量研究工作[1-3]。喷锚支护也是现有公路隧道最常见的支护方式之一[4-5]。

1 工程概况

隧址区地质构造复杂，隧道围岩等级低，上层土为风化土，中层主要为风化岩，下层围岩岩性主要为千枚岩，薄层片状构造并带有丝绢光泽，片理产状320～350∠40～50，岩体碎裂，节理裂隙发育，节理多为张节理，抗风化能力差、自稳能力差，岩体易沿片理倾向坍落，施工风险极高，围岩等级为V级。

2 模型建立及参数

2.1 隧道模型建立

假定围岩性质为连续、均质及各向同性，初始地应力场为自重应力，即σz=γH，采用摩尔-库伦屈服准则[6]。初期支护中喷射混凝土采用2D板单元模拟；锚杆采用1D植入式桁架单元模拟；岩体采用3D实体单元模拟。

本次计算区域横向120 m、竖向80 m、纵向30 m，模型方向规定：隧道开挖方向为Y轴正向，竖直向下为Z轴正向，隧道掘进横断面向左方向为X轴正向，数值模型见图1。模型边界X、Y方向位移面施加约束；底部边界Z方向位移面施加约束；模型高度范围有三层土体，第一层土为风化土，厚度为7.5 m； 第二层土为风化岩，厚度为17.5 m；第三层土为软岩，厚度为55 m。采用喷锚支护的方式，锚杆采用2×1.8 m的间距布置。隧道断面尺寸、模型实体单元及结构单元示意见图1～图2。分别取1.0 m、1.5 m、 2.0 m、3.0 m四种开挖进尺。

图1 隧道断面尺寸/mm

图2 实体单元

2.2 模型参数

根据《公路隧道设计细则》（JTG/T D70—2010）[7]，隧道的围岩参数见表1，支护参数见表2。

表1 模型计算土层物理力学指标

表2 喷锚支护材料参数

2.3 数值分析工况

利用Midas/GTS中的施工阶段分析功能设置开挖进尺为1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m四种分析工况，工况设计见表3。

表3 工况设计

3 数值模拟结果分析

3.1 锚杆轴力分析

导出锚杆轴力受力情况见图3。

图3 锚杆轴力受力（开挖进尺：1.5 m）

由图3可以看出，锚杆轴力由杆头至杆尾逐渐增大。隧道锚杆轴力沿隧道中轴线左右基本呈对称分布，且拱顶处锚杆轴力值较小，但并不是最小值，锚杆轴力最小值位于隧道拱肩处，拱腰处锚杆轴力值最大。锚杆轴力最大值为51.45 kN，最小值为13.68 kN。

分析不同进尺开挖过程中锚杆轴力变化情况，受篇幅限制，仅分析3 m开挖进尺下S1、S6、S11的锚杆轴力。根据模拟结果，锚杆轴力最大值位于隧道拱腰处，最小值位于隧道拱肩处；且发现随着开挖步数的增加，处于隧道面同一位置不同开挖长度处的锚杆其轴力最大值逐渐往后移，至开挖贯通后锚杆轴力最大值位于S11开挖断面。锚杆轴力最大值位置的后移并不意味着位于开挖步数前的同位置处锚杆轴力有所减小，S11开挖之后，位于S1拱腰处的锚杆轴力值为38.44 kN，大于S1开挖后同位置处的锚杆轴力值26.6 kN。因此，可以认为随着隧道开挖步数，锚杆轴力值在不断增大。

分析不同开挖进尺下锚杆轴力最大值变化，见图4。

图4 锚杆轴力最大值变化

由图4可知：（1）开挖S1后，1.0 m、1.5 m、2.0 m、 3.0 m的锚杆轴力最大值分别为16.49 kN、18.63 kN、 22.47 kN、26.68 kN，可以发现初始开挖下，开挖进尺越大，锚杆轴力最大值也越大。随着开挖步数的进行，锚杆轴力最大值也在不断增大。且仍存在开挖进尺越大，锚杆轴力最大值越大的情况。（2）四种开挖进尺下，在开挖至最后一进尺时，锚杆轴力最大值均发生了突变，最后保持稳定。分析认为在开挖贯通后，隧道围岩应力重分布变化较大，从而出现了锚杆轴力最大值甚至隧道锚杆整体轴力值均发生了一次迅速增大的突变，直至稳定。

3.2 喷混受力分析

分析喷混结构受力情况，导出喷混结构最大主应力见图5。

图5 喷混结构最大主应力分布（开挖进尺：1.5 m）

由图5可以看出：（1）喷混结构最大主应力中最大拉应力为3.82×103kN/m2，最大压应力为1.52×103kN/m2。（2）在喷混结构的拱脚处出现明显的应力集中现象，因此，在开挖支护过程应着重注意结构拱脚处受力变形情况。

为了分析开挖过程不同开挖进尺下喷混的受力情况，受篇幅限制，仅分析2 m开挖进尺下S2、S8、S16的锚杆轴力。根据模拟结果，喷混结构的最大拉应力随着开挖进尺在不断增大，且在结构拱脚处应力集中现象始终在开挖过程中存在。因此，分析不同开挖进尺下开挖过程中喷混结构最大拉应力值变化情况，绘制图6。

图6 喷混结构最大拉应力变化

由图6可以发现，不同开挖进尺的喷混结构最大拉应力随着开挖步数的进行均呈现不断增大的趋势，且增大幅度在逐渐减缓。开挖S1后，1.0 m、1.5 m、 2.0 m、3.0 m的喷混结构最大拉应力值分别为 1.58 kN/m2、2.31 kN/m2、2.12 kN/m2、2.61×103kN/m2， 可以发现初始开挖下，开挖进尺越大，喷混结构最大拉应力也越大，但随着开挖步数进行，开挖进尺越小，喷混结构最大拉应力越大。开挖结束后1.0 m进尺的喷混结构最大拉应力值最大，为4.48 kN/m2；3.0 m 进尺的喷混结构最大拉应力值最小，为2.82 kN/m2；1.5 m和2.0 m开挖进尺的喷混结构最大拉应力值相差较小。因此，开挖进尺越大，喷混结构整体性越好，喷混结构最大拉应力越小，越有利于减小拱脚应力集中现象。

4 结语

（1）锚杆轴力由杆头至杆尾逐渐增大，拱顶处锚杆轴力值较小，最小值位于隧道拱肩处，最大值位于拱腰处。（2）开挖S1后，开挖进尺越大，锚杆轴力最大值也越大，且随着开挖步数的进行，锚杆轴力最大值也在不断增大。（3）四种开挖进尺下，在开挖至最后一进尺后，因隧道围岩应力重分布变化较大，锚杆轴力最大值甚至隧道锚杆整体轴力值均发生突变，最后趋于稳定。（4）喷混结构的最大拉应力随着开挖步数在不断增大，增大幅度在逐渐减缓，且在结构拱脚处应力集中现象始终在开挖过程中存在；开挖进尺越大，喷混结构整体性越好，喷混结构最大拉应力越小，越有利于减小拱脚应力集中现象。