公路隧道圍巖錨桿支護優化研究

柳越文

摘要：文章結合隧道施工經驗，針對Ⅲ、Ⅳ級圍巖建立三維離散元模型，對Ⅲ、Ⅳ級圍巖不同系統錨桿使用方式進行模擬計算，分析隧道圍巖不同錨桿參數下的穩定性，以達到優化圍巖錨桿支護方式的目的，并通過現場監控測量數據分析驗證了優化效果。

關鍵詞：公路隧道工程;三維離散元;支護體系;模擬分析

中國分類號：U455.7文章標識碼：A230856

0 引言

我國是個幅員遼闊且多山的國家，公路的建設離不開隧道的建設，隨著公路里程數的增長，使得我國交通建設行業得到迅猛的發展趨勢，施工技術與施工設備也有了很大的革新，隧道工程的建設也達到了空前規模[1]。隧道工程的發展推動了公路隧道理論設計的不斷進步，將實際工程與理論設計結合運用到隧道工程上，為項目帶來更好的經濟效益，已成為行業努力的最終目標。目前，錨桿支護技術是隧道工程項目較為常用的施工技術，但對錨桿支護的理論研究仍然不足，多以理論和經驗結合輔助工程，很難做到工程支護細化，容易造成材料的浪費。本文通過結合賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）弄拉隧道、伏龍隧道工程實踐，研究環向錨桿在不同圍巖等級中的合理布置情況。

1 Ⅲ[HT《漢儀中黑簡》]級圍巖錨桿支護優化研究

本項目大部分隧道穿越斷層破碎帶、巖溶區、淺埋巖堆區、水平巖層區、高應力區及高富水區等不良地質段，施工風險高難度大。而隧道工程最基礎性的工作就是對隧道圍巖級別的判定，這也是隧道工程的一項綜合性指標，因此圍巖等級應按照工程要求將相對應的地質條件進行等級劃分，才能使隧道安全性提高及進行資金的合理利用。

1.1 Ⅲ級圍巖開挖方法與模型的建立

弄拉隧道為Ⅲ級圍巖隧道，隧道開挖方法如下頁圖1所示。實際工程中錨桿按照三維布置，掌子面大多數也存在結構面。本文將通過三維離散元軟件對隧道進行模擬計算[2]，原因是其他有限元等軟件不能考慮巖體節理裂隙所引起的各向異性破壞情況與各向異性變形。為此結合試驗段Ⅲ級圍巖圖紙進行三維模型的建立，通過提供不同錨桿數量的方式，來得到系統錨桿最佳的使用方法。考慮到邊界效應和隧道埋深對隧道圍巖的影響，以及隧道開挖時僅對隧道洞室周邊的圍巖有影響，一般選取洞深的3～5倍進行開挖并建立計算模型。

1.2 Ⅲ級圍巖系統錨桿優化模擬研究

系統錨桿的布置所采用的工程類比法可能會具有盲目性，因此提出全斷面保留系統錨桿與拱頂范圍內保留系統錨桿（方案二）、拱腳與拱腰處保留系統錨桿（方案三）、只使用初期支護（方案四）三種優化方案進行建模分析。通過圍巖的各項研究對比，得到系統錨桿在Ⅲ級圍巖中起到的作用如下：

（1）通過收集原方案與三種優化方案下Ⅲ級圍巖的水平位移與豎向位移應力云圖數據，得到圍巖左右收斂與拱頂沉降最大數值，如表1所示。

由表1可知，方案三與方案四對比，頂部保留系統錨桿會造成拱頂沉降變大，說明錨桿會造成頂部圍巖的擾動，不利于使用;原方案與方案二對比，拱頂保留系統錨桿會增加拱頂的沉降，但不能達到預期的效果，不利于使用;原方案、方案三、方案四與方案二對比，平均收斂有小幅度的減小，效果不明顯，但能說明拱腳與拱腰處保留系統錨桿可以加強穩定效果。

（2）通過收集原方案與三種優化方案的最大、最小主應力的應力云圖數據得到，這四種方案圍巖最大主應力為15.48～15.5 MPa，最小主應力為5.84～5.85 MPa，可知原方案與三種優化方案布置的錨桿對圍巖應力僅有細微影響，且方案四無系統錨桿時的應力為5.84 MPa，所以布置錨桿只能略微地改善應力大小。

（3）通過收集原方案與三種優化方案系統錨桿軸力云圖數據得到，錨桿穿過結構面時會產生較大拉力，并且隨著錨桿長度增長而發生變化。其中方案二最大受力部位位于左拱腳、右拱腳（最大受力為103.07 MPa），原方案與方案三最大受力部位在右拱肩（最大受力分別為100.81 MPa、101.62 MPa），可知錨桿穿過結構面時左拱腳、右拱腳與拱肩受力會較為明顯，但是錨桿軸力對Ⅲ級圍巖支護起不到明顯作用。

（4）通過收集原方案與三種優化方案初期支護混凝土第三主應力云圖數據得到，這四種方案最大壓應力為39.986～40.550 MPa，最大拉應力為3.030～3.221 MPa，可知在各種方案下隧道混凝土壓應力都有明顯的增大，表明初期支護混凝土承擔支護作用的效果不明顯。初期支護混凝土很容易在左拱肩、右拱肩以及拱腳處產生應力集中，且錨桿不能改善混凝土的受力情況，所以初期噴射混凝土時需加強噴射的質量。

（5）隧道塑性區范圍

通過收集原方案與三種優化方案塑性區范圍3DEC模擬云圖數據得到，僅有底部變形的面積較大，其余單元的體積沒有明顯變化。這證明減少錨桿或者取消錨桿對隧道圍巖塑性區造成的影響很小。

2 Ⅳ[HT《漢儀中黑簡》]級圍巖錨桿支護優化研究

2.1 Ⅳ級圍巖開挖方法與模型的建立

伏龍隧道為Ⅳ3級圍巖隧道，隧道開挖方法如圖2所示。結合試驗段Ⅳ級圍巖圖紙進行三維模型的建立，通過提供不同錨桿數量的方式，得到系統錨桿最佳的使用方法。隧道開挖方式與Ⅲ級圍巖相同，只選取洞深的3～5倍進行開挖并建立計算模型。

2.2 Ⅳ級圍巖系統錨桿優化模擬研究

系統錨桿的布置所采用的工程類比法可能會具有盲目性，因此通過設計全斷面保留系統錨桿及只保留左側與節理夾角較大的系統錨桿（方案二）、僅使用初期支護混凝土與拱架（方案三）兩種優化方案進行建模分析。研究對比得到系統錨桿在Ⅳ級圍巖中起到的作用如下：

（1）通過收集到的圍巖的水平位移與豎向位移應力云圖數據得到，圍巖左右收斂與拱頂沉降最大數值，如表2所示。

由表2方案三與原方案、方案二對比可知，設置頂部錨桿能減小拱頂的沉降量與拱底隆起，設置拱腰錨桿能減小左右收斂最大值，表明錨桿能有效地控制頂部沉降與拱底隆起，也能有效地控制水平收斂，且效果都很明顯。因此，原方案拱頂處設置錨桿能減小拱頂沉降，但效果不明顯，而適當布置方案二錨桿的數量，可以控制圍巖位移方面的問題，故方案二布置錨桿的形式取得了預期的效果。

（2）通過收集三種方案的最大、最小主應力的應力云圖數據得到，三種方案圍巖受到的最大主應力均為7 MPa，最小主應力為0.201～0.212 MPa，可知全面布置錨桿的圍巖受到的主應力變化幅度略微，不能起到改善圍巖主應力的作用，證明采用過多的錨桿也不會有很好的效果，應適當減少錨桿的使用數量。

（3）通過收集系統錨桿軸力云圖數據得到，隨著長度的變化，所有錨桿的軸力都發生變化，右側錨桿的受力要小于左側錨桿，且均受拉力作用并符合受力特性。原方案中右側拱肩至拱腳處錨桿的受力較小，證明這部分的錨桿很難起到加固的作用，而左側拱肩至左右拱腳處錨桿的受力則較大，特別是與結構面接觸的位置;方案二的錨桿軸力有略微的增加，幅度不大，但是也在錨桿受力適用范圍內，可用注漿小導管替換少部分受力較大的部分。這證明方案二符合施工要求，因此要適當減少錨桿的使用數量。

（4）通過收集三種方案初期支護混凝土第三主應力云圖數據得到，三種方案最大壓應力為49.414～58.820 MPa，最大拉應力為6.900～7.960 MPa，可知在各種方案下隧道混凝土壓應力都有明顯的增大，表明初期支護混凝土主要承擔支護作用且效果明顯。但是初期支護混凝土容易在左拱腳、右拱腳及臺階分界處有應力集中，所以初期噴射混凝土時需加強噴射的質量。其中錨桿對混凝土僅造成了微弱的影響，效果并不明顯，因此可以適當取消錨桿的使用數量。

2.3 Ⅳ圍巖鎖腳錨桿數值模擬分析

如今隧道工程中鎖腳錨桿已經起到了不可替代的作用，為此本文通過模擬實際項目工程伏龍隧道的Ⅳ3級圍巖條件下合理的下插角度與打設長度，得到最佳的鎖腳錨桿支護參數。本隧道鎖腳錨桿設計及方案如表3所示。

2.3.1 插入角圍巖豎向位移分析

由于豎向位移可以反映拱部圍巖穩定性，通過收集4.5 m鎖腳錨桿下插長度圍巖豎向位移應力云圖數據，繪制拱頂沉降與下插角度、錨桿長度的關系曲線圖（圖3、圖4）。由圖3可知，拱頂沉降最大出現在鎖腳錨桿剛插入時，表明鎖腳錨桿對拱頂沉降有一定的影響;下插角度為15°時下沉大幅度減小，35°時沉降略微增加，45°時幾乎不增加，故錨桿插入角度對拱頂沉降起到重要的作用。由圖4可知，錨桿4.5～5.5 m的控制下沉量沒有3.5～4.5 m效果好，證明適當增加錨桿長度可以很好地控制拱頂下沉量，但過長會引起下沉增加。

2.3.2插入角圍巖水平位移分析

由于豎向位移可以反映對隧道邊墻的收斂效果，通過收集4.5 m鎖腳錨桿下插長度圍巖水平位移應力云圖數據，繪制左右邊墻收斂與下插角度、錨桿長度的關系曲線圖（圖5、圖6）。由圖5、圖6可知，鎖腳錨桿下插角度與左右邊墻收斂有一定的關系，且左邊墻效果大于右邊墻，左邊墻0°～15°與右邊墻0°～30°均有較好控制收斂的效果;鎖腳錨桿長度與邊墻收斂也有一定的關系，左右邊墻均在3.5～4.5 m處有很好的控制效果。因此，將鎖腳錨桿與節理面設置一定的插入角度，能更好地控制圍巖的變形，且要保證錨桿的一定長度才能保護經濟效益與支護效果。

2.3.3 鎖腳錨桿軸力分析

鎖腳錨桿的作用只能通過鎖腳錨桿軸力分析得到，又由于眾多工況規律相似，通過收集4.5 m鎖腳錨桿不同插入角度的軸力云圖數據，可知錨桿受拉力起到了固定的效果，根據下插角度的變化錨桿軸力波動變化較大。當0°～15°插入時，左右兩邊的錨桿受力較大，且隨著角度的增大軸力減小;下臺階錨桿受力明顯大于上臺階錨桿受力，所以在臺階法開挖仰拱時要保證下臺階鎖腳錨桿的質量，才能保證鋼拱架的穩定;錨桿位置不同其軸力情況也不同，其末端的受力較小，接近臨空面的受力較大。

3 現場監控測量數據分析

現場監控作為隧道實驗階段的一個非常重要的環節，是新奧法的主要內容，也是新奧法設計與施工的重要組成部分。

3.1 監測內容與方法

根據現場監測數據分析，得到具體監測項目內容如表4所示。

通過不同圍巖等級制定檢測方法，如表5所示。

3.2 Ⅲ級圍巖數據監測分析

（1）Ⅲ級圍巖試驗階段不采用系統錨桿，而換成混凝土、鋼筋網片來進行初期支護。將Ⅲ級圍巖試驗段拱頂沉降與水平收斂的位移隨時間變化的數據繪制成圖（圖7），可知第15 d位移增長迅速，最大值為4.7 mm，一個月后增長到4.8 mm，監測結束時圍巖沉降與收斂速率都降低了，并符合規范的要求。這表明隧道處于穩定，此方案可行。

（2）收集Ⅲ級圍巖拱頂、左右拱肩、左右拱腳混凝土應力隨日期變化數據繪制成圖（圖8），可知混凝土在初期支護中起到了主要的作用;掌子面受力情況與壓力盒的布設有關，右側的受力明顯大于左側受力，右側拱腳、拱肩應力計埋設點與節理面接近;混凝土受力較大，最大位置為拱腳處，最小位置為拱頂，并處于應力規范允許范圍內，且現場也未發現混凝土掉落與裂開的情況，在Ⅲ級圍巖中去除設立錨桿是可行的。

3.3 Ⅳ級圍巖數據監測分析

（1）在Ⅳ級圍巖試驗段中，僅將系統錨桿布置于與節理夾角較大的區域，采用15°下插角度的4.5 m的鎖腳錨桿進行施工。通過分析選取一段掌子面拱頂沉降與水平收斂的位移隨時間變化的數據繪制成圖（圖9），可知拱頂沉降與拱腰收斂均在20 d以后達到穩定，經過一個月后基于穩定。由于此工程為上下臺階法施工，因此拱腳收斂數據收集較慢，且經過20 d后趨于穩定。進行下導開挖圍巖的位移增長會持續增加，此時不及時采取措施會造成隧道變形增大。監測結束時圍巖沉降與收斂速率都降低了，并符合規范的要求，隧道也處于穩定狀態，控制隧道變形方面的優化方案切實可行。

（2）收集Ⅳ級圍巖拱頂、左右拱肩、左右拱腳混凝土應力隨日期變化的數據繪制成圖（圖10），可知混凝土在初期支護中起到了主要的作用，應力比Ⅲ級圍巖有所提升。拱肩受力最大，拱頂受力最小，應力值在允許范圍內，且現場也未發現混凝土掉落與裂開的情況，證明優化方案可行。

（3）收集Ⅳ級圍巖掌子面初支鋼拱架應力隨日期變化的數據繪制成圖（下頁圖11），可知鋼拱架應力總體在一周后增長較快，15 d后處于穩定，受力分布較為均勻。由于隧道開挖后應力重分布導致拱腳、拱腰受力較大，鋼拱架也承擔一部分力，并隨著應力重分布逐漸處于穩定狀態后，鋼架受力也漸漸趨于穩定，且鋼拱架的應力沒有超過材料允許應力，故方案可行。

4 結語

錨桿支護是新奧法施工支護結構中最重要的結構，錨桿參數的正確選擇是隧道施工的重點難題。本文結合賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）弄拉隧道、伏龍隧道工程實踐，選擇試驗段Ⅲ級、Ⅳ級圍巖的掌子面，運用三維離散元軟件對隧道進行模擬計算，分析隧道圍巖不同錨桿參數下的穩定性，并將最佳的方式應用于現場施工后，取得了很好的效果，得出以下結論：

（1）采用全斷面法開挖Ⅲ級圍巖，針對系統錨桿選取包括原設計方案在內的四種錨桿布置方式的工況下，觀察圍巖左右收斂、拱頂沉降、主應力、軸力、壓應力與塑性區范圍情況，可知取消錨桿后對隧道整體穩定性沒有太大的影響，所以在此試驗段可以取消錨桿的使用，只進行初期支護混凝土噴射，但初期支護混凝土容易在左、右拱肩及拱腳處產生應力集中，可以通過增強初期噴射混凝土的質量來達到效果。

（2）采用上下臺階法開挖Ⅳ級圍巖，針對系統錨桿選取包括原設計方案在內的四種錨桿布置方式的工況下，觀察圍巖左右收斂、拱頂沉降、錨桿軸力與主應力情況，可知錨桿對圍巖整體穩定不會有很好的效果，所以應適當減少錨桿的使用數量，才能實現經濟效益最大化;針對鎖腳錨桿對插入角圍巖豎向位移、插入角圍巖水平位移、鎖腳錨桿的軸力情況分析，得到控制位移最好的效果為插入角度15°時，支護效果最佳為錨桿4.5 m時。根據上下臺階施工特性，為了保證下臺階施工的質量，可在必要時改為注漿導管施工。

（3）通過對Ⅲ、Ⅳ級圍巖中錨桿使用的優化方案數據監測分析，結果表明混凝土與鋼架受力大、位移小，均在正常范圍內，并起到了主要的支護作用。通過此方法驗證了優化方案能保障隧道的施工安全。

參考文獻：

[1]石井兵，韓文杰.淺談有無必要在隧道軟弱圍巖中設置系統錨桿[J].商品與質量：建筑與發展，2012（3）：87-88.

[2]蔣樹屏.隧道圍巖中系統錨桿支護效果的研究[A].巖石力學在工程中的應用[C].第二次全國巖石力學與工程學術會議論文集，1989.