水平砂泥巖隧道錨桿支護變形和受力特性研究

張帥軍， 種玉配， 齊燕軍， 劉書奎

(1.中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院， 廣東 廣州 511400； 2.中國礦業大學 力學與土木工程學院)

隧道開挖導致應力重分布，容易致使隧道圍巖發生變形和破壞。水平層狀巖體是隧道施工過程中常見的一種地質情況，層面和節理的存在使得圍巖的不連續性和各向異性十分顯著，同時使得隧道圍巖破壞具有比較特殊的形態，例如拱部平拱、拱頂彎折和離層。錨桿支護是目前隧道施工過程中一種比較常見的支護手段。曹興松等針對陡傾小交角層狀圍巖隧道采取非對稱非均長布置錨桿，有效地防止圍巖發生順層破壞，控制圍巖變形；騰俊洋等提出錨固區范圍越大，錨桿對裂紋的止裂效果越好，錨桿對裂紋的止裂效果與錨固區范圍大小有關；常偉針對大梁峁隧道提出錨桿設置范圍宜為拱部160°，錨桿長度3.5 m；韓昌瑞等分析了層狀巖體順層偏壓的破壞形式和破壞部位，在破壞部位增加錨桿長度以提高襯砌支護強度，改善拱肩部位的剪切破壞情況；胡雄玉等通過相似模型試驗得出在層狀圍巖隧道中，聯合支護中的錨桿長度和間距存在最優值，超過最優值之后的錨桿加固效果不再明顯。

該文針對段家坪隧道，對水平砂泥巖隧道錨桿支護下隧道圍巖變形、錨桿軸力和初期支護與圍巖接觸壓力進行分析，為現場錨桿支護參數動態設計提供一定的指導。

1 工程概況

蒙華鐵路北起內蒙古浩勒報吉站，終點為江西省吉安市，規劃設計輸送能力為2億t/年。段家坪隧道位于蒙華鐵路第九標段，位于陜西省延安市宜川縣境內，隧道進口里程為DK446+664.02，出口里程為DK457+387.00，隧道全長10 722.98 m，為單洞雙線隧道，最大埋深450 m，兩處淺埋處最小覆土分別為3.5、14 m。隧道洞身圍巖以三疊系上統厚層砂巖夾薄層泥巖為主，巖層產狀為270°∠2°，砂巖層厚30 cm，除砂巖以外夾雜的兩層薄層泥巖層厚均為10 cm，兩層薄層泥巖分別分布在隧道拱腰和拱腳位置。

2 數值計算

2.1 計算模型與參數

采用3DEC建立模型，模型寬100 m，高70 m。隧道開挖總的寬度為14 m，開挖總高度為11 m。巖體和初支采用理想彈塑性模型，破壞準則為Mohr-Coulomb準則，初支厚度30 cm，錨桿采用CABLE單元。模型前后左右及下邊界采用零位移約束條件，上邊界設為自由邊界。建立的隧道模型見圖1。

圖1 隧道計算模型

計算中通過等效方法考慮鋼拱架的參數，圍巖、噴射混凝土和錨桿材料參數如表1所示。

表1 隧道圍巖及支護材料參數

2.2 數值模擬工況

首先把錨桿在隧道拱部180°內布置，錨桿的間距設為1.5 m，只改變錨桿的長度進行模擬，分析了錨桿的長度與隧道圍巖穩定之間的聯系；同理只改變錨桿的間距，分析錨桿間距與隧道圍巖穩定之間的聯系。具體模擬工況見表2。

表2 計算工況

2.3 計算結果分析

分別統計工況1～5和工況6～10數值模擬中隧道圍巖拱頂沉降數據，如圖2、3所示。

圖2 錨桿長度與拱頂沉降關系圖

圖3 錨桿間距與拱頂沉降關系圖

從圖2可知：錨桿長度從2 m增加到3 m過程中，隧道拱頂沉降累計值迅速減小；當錨桿長度達到3 m以后隨著錨桿長度的增加，隧道拱頂沉降累計值的減小量變得非常小，說明錨桿增加的部分起到的作用很小，即采用3 m長的錨桿比較合理。

從圖3可知：錨桿間距從2 m減少到1.5 m過程中，隧道拱頂沉降累計值迅速減小；當錨桿間距達到1.5 m以后隨著錨桿間距的減少，隧道拱頂沉降累計值的減小量變得非常小，說明繼續減少錨桿間距對于拱頂沉降的控制作用很小，即采用錨桿間距1.5 m比較合理。

3 現場試驗

3.1 現場監測狀況

在監測斷面布置9根錨桿，每根錨桿上設置3個軸力計，同時在每一根錨桿位置處埋設壓力盒，錨桿和壓力盒布置如圖4所示。分別進行有、無錨桿支護，不同錨桿長度支護和不同等級圍巖錨桿支護下錨桿軸力和初期支護與圍巖接觸壓力監測。

圖4 錨桿與壓力盒布置示意圖

3.2 監測結果與分析

統計分析設置3 m長度錨桿和不設置錨桿情況下的初期支護與圍巖接觸壓力，結果如圖5所示。

圖5 初期支護與圍巖接觸壓力圖(單位：kPa)

從圖5可知：水平砂泥巖隧道初期支護與圍巖接觸壓力在拱部和拱腳較大，在拱腰部位較小。從接觸壓力數值上看，在有、無錨桿的情況下圍巖與初期支護接觸壓力有大有小，總體上看，無錨桿試驗斷面圍巖與初期支護接觸壓力略大。設置3 m錨桿下，在水平砂泥巖隧道拱部圍巖與初期支護的接觸壓力明顯較無錨桿減小，說明錨桿在拱部承受了一定的荷載，分擔了部分圍巖壓力。

統計分析錨桿長度分別為2、3和4 m長度下的錨桿軸力，結果如圖6所示。

圖6 不同長度錨桿軸力圖(單位：kN)

從圖6可知：水平砂泥巖隧道拱部錨桿均受拉，但受到的拉力均不大，最大值為23.17 kN，錨桿的最大軸力基本上都在隧道拱部附近，拱腰和拱腳部位錨桿受到的拉力較小，在1 kN左右。錨桿個別測力點受壓，可能是由于圍巖的應力集中引起。2 m錨桿內端部的拉力較3、4 m錨桿少很多，2 m錨桿對水平砂泥巖隧道圍巖的加固作用不明顯。

統計分析不同等級圍巖下錨桿軸力結果如圖7所示。

從圖7可知：水平砂泥巖隧道不同圍巖級別下，隧道拱部錨桿拉力較大，拱腰和拱腳部位錨桿受力相對很小，拱腰和拱腳部位錨桿作用相對較弱。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖拱部錨桿軸力最大值分別為13.18、18.13、21.97 kN，可見隨著圍巖強度的降低，錨桿的軸力越來越大，說明圍巖強度越低，其自穩能力越差，錨桿對圍巖變形發揮的控制作用越大。

圖7 不同圍巖級別下錨桿軸力圖(單位：kN)

4 結論

通過對水平砂泥巖隧道開挖數值模擬和現場錨桿軸力和初期支護與圍巖接觸壓力的監測，得到了隧道拱頂沉降隨著錨桿長度和間距的變化規律，以及不同錨桿長度及不同圍巖下錨桿軸力，主要結論如下：

(1) 隨著錨桿長度的增加和錨桿間距的減少，隧道拱頂沉降不斷減少。錨桿長度達到3 m，錨桿間距達到1.5 m后，繼續增加錨桿長度和減少錨桿間距對于隧道拱頂沉降的控制作用較小。

(2) 水平砂泥巖隧道拱部錨桿軸力較大，拱部錨桿能夠承受一定的荷載，分擔部分圍巖壓力。隧道拱腰和拱腳處錨桿受力較小，在施工中，可以對拱腰和拱腳處錨桿進行優化，少設置或者不設置錨桿。

(3) 隨著水平砂泥巖隧道圍巖強度的降低，拱部錨桿軸力不斷增大。圍巖強度越低，錨桿能夠更好發揮控制圍巖變形的作用。