高应力软岩隧道预应力锚索支护的设计研究

李 跃

(保定市保通公路勘测设计有限责任公司 保定市 071000)

0 引言

传统的被动支护很难解决高应力软岩隧道存在的变形严重问题，将预应力锚索支护技术运用到高应力软岩隧道中就能很好解决这个问题。许多研究学者对此进行了大量的研究，尤春安[1]从现场实测、数值模拟、模型计算、理论知识运用等多方面分析锚固系统的受力特点，提出了锚固体的滑移力。

在现有的研究成果基础上，基于实际的工程案例结合相关理论，对高应力软岩隧道预应力锚索支护的设计进行数值模拟分析，探究锚索支护在高应力软岩隧道中的适用性和有效性，希望能对高应力软岩隧道预应力锚索支护的设计提供参考价值。

1 锚索和锚杆联合支护的特点

为了使单一支护个体的潜在优势被充分挖掘出来，改变原来传统的被动支护,实现1+1>2的联合支护效果[2]，就需要将两种或者两种以上的支护个体有目的的联合起来,表现出更好的效果以此来使被支护的结构更加安全稳定。

虽然锚索能够在岩体的较深处进行加固稳定，提高主动支护的效果，但是在高应力软岩隧道中进行支护时，效果不明显，究其原因主要是支护体和围岩不能形成有效的耦合。软岩隧道的耦合支护主要有刚度耦合、强度耦合和结构耦合。

(1)刚度耦合

支护体的刚度和岩体收到破坏变形时的刚度具有一定的相互关系。岩体的支护结构不仅要有很好的变形力，能够把岩体的变形能合理缓冲吸收，还要使锚索作用力和围岩的变形相适应。从而保证支护结构和岩体的安全和稳定[3]。

(2)强度耦合

锚杆的被动支护很难有效释放来自高应力软岩隧道受到扰动产生的变性能，所以，需要采取强度耦合的支护方法来保护锚索，同时锚索自身的结构强度也能对岩体的抗变形能力提供支撑，使岩体的稳定性能提高[4]。

(3)结构耦合

处在高应力软岩中的隧道变形主要是岩体的结构面变形，而且出现的变形位置是散布不均没有规律的，需要采取特殊的耦合控制支护方式来进行处理，从而提高这些位置对应岩体的稳定性[5]。

2 锚杆锚索联合支护的流程及原理

由于高应力软岩隧道的联合支护施工环境复杂，岩体的变形力和锚杆锚索的相互作用，为了能更好地达到耦合支护的效果，需要提前运用联合支护理论和相关力学研究，确定出有效的耦合支护方案和具体的力学参数。具体的耦合设计流程如图1。

图1 联合支护具体设计流程

在选用锚杆锚索联合支护时，锚杆可以将零散破碎的岩体连接固定起来，当高应力软岩体内部压力比较大，锚杆长度比较短时，由于支护力度不够很容易发生变形，应当适当加长锚索，提高岩体的承载强度，进而控制岩体的变形程度。特别是在大型的软岩隧道中，通过托盘的作用预应力锚索相对于其他支护方式有着更好的效果。

3 工程实况及数值模拟分析

本隧道工程位于高应力软岩环境中，最大构造应力可达24.85MPa,传统的被动支护形式无法满足工程需求，采用锚杆锚索联合支护的主动支护形式减少隧道的变形对支护结构体的冲击，进而提高岩体的安全性和稳定性。

隧道横截面为三心圆形式，开挖洞泾为11.75m，洞高9.72m，隧道建筑界限净高6.75m，采用锚杆锚索联合支护作为隧道支护的方法。如图2为联合支护设计思路：

图2 锚杆锚索联合支护设计图

3.1 模型及参数分析

本次模拟采用FLAC3D有限元软件，三维尺寸为100m×100 m×40 m，节点数量84628个，划分单元为79801个。水平移动和底部边界节点被相对限制，根据实地勘测该隧道的垂直应力为22.5MPa,侧压力系数为0.76，可知隧道岩体水平应力为17.10MPa，所以需要在模型两侧的水平应力为17.10MPa，模型上边界的垂直应力为22.5MPa，来进行模拟高应力软岩隧道的环境。该隧道岩体力学参数见表1、锚杆锚索参数见表2。

3.2 围岩水平位移分析

不同支护方式中隧道岩体水平位移的变形程度是不一样的，具体的围岩距隧道表面距离和隧道拱腰围岩位移的关系如图3。

图3 不同支护方式下隧道拱腰水平位移图

由图3可以看出，当岩体深度未达到10m时，未采用支护时，岩体位移差不多在7.5cm，岩体内部还是不稳定；当采用锚杆锚索联合支护时岩体相对很稳定位移几乎为零。岩体的最大位移出现在隧洞岩体表面，当距离围岩表层小于3m，岩体变动的趋势相对明显，岩体的深度和岩体的变形量呈现负相关趋势。

3.3 围岩垂直位移分析

不同支护方式中隧道岩体垂直位移的变形程度是不一样的，具体的围岩距隧道表面距离和隧道顶板围岩位移的关系如图4。

图4 不同支护方式下隧道拱顶垂直位移图

由图4可知，围岩距隧道表面距离小于1m的时候，此时三种支护形式的岩体变形的垂直位移都最大，锚索锚杆联合支护对应的位移为9.71cm；锚喷支护对应的位移为12.10cm；未支护形式下的岩体对应的位移为17.55cm，很明显在这三种工况中锚索锚杆联合支护是最小的，支护效果最好。

随着围岩距隧道表面距离不断加大，隧道顶板围岩位移渐渐变小同时趋向缓平状态，其中在5m左右的距离是个拐点，小于5m时对应的垂直位移量变化比较大，当岩体的垂直深度大于5m时，其位移量变化就比较小。单一锚杆形式的支护对岩体的支护效果是远远不够的，只有加上更长的锚索联合支护起来，才能为围岩提供较好的支护。

3.4 垂直应力分析

高应力软岩隧道最大主应力在不同支护条件下的分布情况如图5。

图5 不同支护形式下岩体垂直应力分布云图

由图5可知，围岩的最大主应力分布在隧洞的底部和顶部，并且以拉力的形式存在。采用锚喷支护的情况下对应的最大主应力为4.0MPa,锚杆锚索联合支护对应的最大主应力也是4.0MPa,说明岩体的最大主应力值几乎不受不同的支护方式的影响。从最大主应力分布范围来分析，未支护时的受力范围>锚喷支护时的受力范围>锚杆锚索联合支护时的受力范围，说明采取锚杆锚索联合支护的形式时岩体的受力范围最小，隧道岩体的稳定性较高。

结合以上分析，三种不同支护情况下对应的主要模拟数据如表3所示。

从表3结合上述的分析可知，锚杆锚索联合支护方式下，隧道发生的最大位移区域主要集中在顶板中央位置，并且发生的垂直位移相比于未支护和锚喷支护方式是最小的，同理水平位移也最小；而从垂直应力及最大压应力分别来看，不同支护情况下的垂直应力分别大致相同，但相比较下锚杆锚索联合支护的最大垂直应力及最大压应力最小；因此从最大压应力、最大水平位移、最大垂向位移、底部最大垂向位移、最大垂向应力这五个方面分析比较，在造价及施工条件允许的情况下，采用锚杆锚索联合支护方式作为隧道的支护方案较佳。

4 结论

对锚杆锚索联合支护的作用原理、设计参数及其效果进行了分析研究，研究结果表明：锚杆锚索联合支护主要通过控制垂直位移、水平位移、垂直应力、压应力、拉应力和岩体的屈服特征来解决高应力软岩隧道的支护问题，较传统的支护方式更稳定、效果更好，在造价及施工条件允许的情况下，可以采用锚杆锚索联合支护方式作为隧道的支护方案。