大埋深软岩隧道锚杆支护效果分析及长度优化

■郭俊彪

（山西路桥第六工程有限公司，晋中 030600）

高应力软岩隧道支护加固问题是山岭隧道施工过程中常遇到的难题之一[1-2]，在该条件下施工中经常会遇到隧道拱顶离层破坏以及弯折内鼓等现象，而采用锚杆支护体系可以较好地解决这一问题[3-4]。近年来，国内学者对此进行了一些研究，主要有：王志福[5]以公路隧道开挖支护为研究对象，重点分析了不同支护方式下的隧道变形和受力特性，并对初期支护参数进行了优化分析。 郑瑞永[6]结合工程实例， 随隧道IV 级围岩段锚杆支护结构进行数值模拟分析， 重点对锚杆环向间距进行优化计算，从而得出适合该项目的锚杆长度。 常伟[7]以特长公路隧道为研究对象，采用有限元模拟方法对支护方案进行了优化分析，并结合试验数据进一步证明了优化结果较为合理。 本研究主要以隧道工程开挖支护为试验对象，对2 种不同支护体系的支护效果进行了建模与比较，并从围岩变形、应力、轴力和塑性区变化等方面对锚杆长度进行了优化分析，结果可为类似工程设计提供参考。

1 工程概况

某山岭隧道工程全长约932.6 m， 隧道中心埋深约为364.2 m， 最大净宽是9.96 m， 最大净高是8.13 m，山顶乔灌木茂密，局部发育陡峭山崖。 该区域内主要分布砂岩和变质岩， 围岩以V 级为主，结构较为松散、破碎，围岩稳定性差。 隧道开挖采用“锚杆+钢拱架+喷射混凝土+二次衬砌” 支护方式，采用台阶法施工，锚杆支护断面示意图见图1。

图1 锚杆支护断面示意图

2 数值建模及分析

2.1 模型建立

为分析隧道结构受力情况，采用FLAC3D 软件建模进行计算，模型长宽高均为100 m（图2）。 隧道中心埋深约为364.2 m， 隧道最大净宽和净高分别为9.96 m 和8.13 m，隧道支护形式“锚杆+钢拱架+喷射混凝土+二次衬砌”， 初支喷浆厚度为5 cm，二次衬砌厚度为40 cm。为了研究锚杆的支护作用，本研究仅对初期支护进行分析， 设置2 种初支方式，支护方式1 为钢拱架支护，支护方式2 采用“钢拱架+锚杆”支护体系，钢拱架采用HW200b 型钢，钢支撑间距为50 cm。 锚杆长度取8 m，直径取28 mm，环向和纵向间距均为100 cm，梅花形布置，横断面上共计53 根，采用摩尔库伦本构模型，除模型上边界外，其他边界均进行位移和边界约束。 围岩和支护材料的物理力学参数见表1、表2。

图2 数值模型图

表1 围岩的物理力学参数

表2 支护材料的物理力学参数

2.2 支护方案分析

2 种不同支护方式时的隧道竖向位移云图见图3。由图3 可知，采用支护方式二时的围岩竖向变形要小于支护方式1。当采用支护方式1 时，拱顶最大沉降值和拱底最大隆起值分别为309.5 mm 和260.3 mm；当采用支护方式2 时，拱顶最大沉降值和拱底最大隆起值分别为258.2 mm 和243.3 mm。采用支护方式2 时拱顶最大沉降值和拱底最大隆起值分别相比减小了16.6%和6.5%。

图3 隧道竖向位移云图

2 种不同支护方式时的隧道竖向应力云图见图4。 由图4 可知，当采用支护方式1 时，拱顶和拱底应力值分别为3.74 MPa 和0.62 MPa，最大集中应力值为36.4 MPa；当采用支护方式2 时，对应的值分别为5.25 MPa 和0.79 MPa，最大集中应力值为25.5 MPa。 即采用支护方式2 时改善了应力分布，使得应力集中现象得以减小。

图4 隧道竖向应力云图

综上可知，采用支护方式2 效果更好，说明锚杆发挥了重要的支护作用。

3 锚杆长度优化分析

为了对锚杆的长度进行优化分析，本研究主要分析围岩位移、围岩应力、锚杆轴力和围岩塑性区随锚杆长度的变化规律，锚杆长度分别取4、6、8、10和12 m。

3.1 围岩位移变化规律

拱顶位移随锚杆长度变化曲线见图5， 图中分别给出了x、y 和z 方向的位移。由图5 可知，由于隧道的对称性，随着锚杆长度的增大，拱顶沿x 方向位移基本为0 且不变。 y 方向的位移主要与掌子面应力释放有关，随着锚杆长度的增长，y 方向位移有减小的趋势，但减小量不明显。 对于z 方向位移，锚杆长度分别取4、6、8、10 和12 m 对应的位移量分别为255.3、246.1、238.7、230.6 和225.1 mm，相比于锚杆长度取4 m 时，锚杆长度取6、8、10 和12 m 时对应的隧道拱顶z 方向位移量减小了3.6%、6.5%、9.7%和11.8%。

图5 拱顶位移随锚杆长度变化曲线

拱底位移随锚杆长度变化曲线见图6。 由图6可知，随着锚杆长度的增大，拱顶沿x 方向位移同样基本为0 且不变。 y 方向位移随着锚杆长度的增长有减小的趋势，但减小量不明显。 对于z 方向位移，锚杆长度分别取4、6、8、10 和12 m 对应的位移量分别为230.6、221.0、216.9、207.4 和198.5 mm，相比于锚杆长度取4 m 时， 锚杆长度取6、8、10 和12 m 时对应的隧道拱底z 方向位移量减小了4.2%、5.9%、10.0%和13.9%。

图6 拱底位移随锚杆长度变化曲线

3.2 围岩应力变化规律

拱顶应力随锚杆长度变化曲线见图7， 图中分别给出了最大和最小主应力。 由图7 可知，随着锚杆长度的增大，最大和最小主应力值均减小。 对于最大主应力，锚杆长度分别取4、6、8、10 和12 m 对应的最大主应力值分别为-10.3、-12.9、-14.5、-14.8和-15.1 MPa，相比于锚杆长度取4 m 时，锚杆长度取6、8、10 和12 m 时对应的隧道拱顶最大主应力值减小了25.2%、40.8%、43.7%和46.6%。 对于最小主应力，锚杆长度分别取4、6、8、10 和12 m 对应的最小主应力值分别为-0.9、-2.4、-3.1、-3.6 和-3.8 MPa，相比于锚杆长度取4 m 时，锚杆长度取6、8、10 和12 m 时对应的隧道拱顶最大主应力值减小了1.7、2.4、3.0 和3.2 倍。

图7 拱顶应力随锚杆长度变化曲线

拱底应力随锚杆长度变化曲线见图8，图中分别给出了最大和最小主应力。 由图8 可知，随着锚杆长度的增大，最大主应力值均减小，最小主应力基本不变。 对于最大主应力， 锚杆长度分别取4、6、8、10 和12 m 对应的最大主应力值分别为-10.0、-10.3、-11.6、-11.8 和-11.8 MPa，相比于锚杆长度取4 m 时，锚杆长度取6、8、10 和12 m 时对应的隧道拱顶最大主应力值减小了3.0%、16.0%、18.0%和18.0%。

图8 拱底应力随锚杆长度变化曲线

综上可知，当锚杆长度超过8 m 时，拱顶和拱底应力减小不再明显， 但从降低应力方面考虑，锚杆长度取8 m 最佳。

3.3 锚杆轴力变化规律

拱顶锚杆轴力随不同锚杆长度变化曲线见图9。 由图9 可知，无论锚杆长度如何，均表现为锚杆两端轴力较小，中间轴力较大的规律。 当锚杆长度分别取4、6、8、10 和12 m 对应的锚杆最大轴力分别为62.5、91.0、118.2、136.4 和158.6 kN，相比于锚杆长度取4 m 时，锚杆长度取6、8、10 和12 m 时对应的锚杆最大轴力分别增大了0.46、0.89、1.18 和1.54 倍。 此外，锚杆长度为4、6、8、10 和12 m 对应的锚杆最大轴力位置分别在锚杆的3/4、2/3、5/8、3/5和7/12 位置处，即拱顶锚杆最大轴力值位于锚杆中后部，且随着锚杆长度的增大，最大轴力位置逐渐向锚杆中部移动。

图9 拱顶锚杆轴力随不同锚杆长度变化曲线

拱底锚杆轴力随不同锚杆长度变化曲线见图10。由图10 可知，其轴力变化规律与拱顶锚杆类似。 当锚杆长度分别取4、6、8、10 和12 m 对应的锚杆 最 大 轴 力 分 别 为65.3、91.2、113.5、142.6 和170.8 kN，相比于锚杆长度取4 m 时，锚杆长度取6、8、10 和12 m 时对应的锚杆最大轴力分别增大了0.40、0.74、1.18 和1.62 倍。 此外，锚杆长度为4、6、8、10 和12 m 对应的锚杆最大轴力位置均在锚杆的1/2 位置处，即拱底锚杆最大轴力值基本位于锚杆中部。

图10 拱底锚杆轴力随不同锚杆长度变化曲线

3.4 围岩塑性区变化规律

围岩塑性区开挖破坏总面积随锚杆长度变化柱状图见图11。 由图11 可知，锚杆长度取4、6、8、10 和12 m 时对应的围岩塑性区开挖破坏总面积分别为45.02×103、42.92×103、41.74×103、41.35×103和41.16×103m3，相比于锚杆长度取4 m 时，锚杆长度取6、8、10 和12 m 时对应的围岩塑性区开挖破坏总面积依次减小了4.7%、7.3%、8.2%和8.6%。 即随着锚杆长度的增大，围岩塑性区破坏总面积减小，但减小的速率逐渐降低，尤其在锚杆长度超过8 m之后，减小非常缓慢。

图11 围岩塑性区面积随锚杆长度变化规律

4 结论

本研究主要以隧道工程开挖支护为研究对象，分析了采用“钢拱架+锚杆”支护体系的支护效果，并从围岩变形和受力等方面对锚杆长度进行了优化分析，得到以下结论：（1）相比于采用单一的“钢拱架支护”，采用“钢拱架+锚杆”支护体系效果更好，说明锚杆发挥了重要的支护作用。 （2）增大锚杆长度可以一定程度上减小隧道开挖变形，随着锚杆长度的增大，拱顶最大和最小主应力值以及拱底最大主应力值均减小， 拱底最小主应力基本不变，当锚杆长度超过8 m 时，拱顶和拱底应力减小不再明显。 （3）随着锚杆长度的增大，拱顶和拱底锚杆最大轴力基本呈线性增大趋势，且拱顶锚杆最大轴力值位于锚杆中后部，拱底锚杆最大轴力值位于锚杆中部。 （4）锚杆长度增大后围岩塑性区破坏总面积会减小，但减小的速率逐渐降低，尤其在锚杆长度超过8 m 之后，减小非常缓慢。 综上，锚杆长度取8 m时最佳。