水平構造巖層中隧道錨桿設計參數優化分析

摘要：文章依托某在建隧道工程，基于三維數值模型計算分析了不同錨桿長度、間距及布置范圍下圍巖變形及初期支護的力學響應特征，提出了水平巖層隧道中錨桿設計參數的優化建議，并通過現場監測驗證了數值模型的準確性。結果表明：（1）在一定范圍內，適當加長錨桿對控制水平巖層隧道圍巖收斂與減小初期支護應力有一定作用；（2）錨桿間距對控制水平巖層隧道圍巖變形與改善初期支護受力作用有限，過于加密錨桿間距會造成不必要浪費；（3）水平構造巖層中隧道錨桿布設角度宜設置在180°～150°，可以適當取消拱腳位置錨桿以節省造價。

關鍵詞：水平巖層；隧道；錨桿；設計參數；參數優化

中圖分類號：U455.7+1

0 引言

巖層的構造對隧道施工有著較大影響，隧道建設中常遇到水平構造巖層，其層間膠結力弱及層面結合相對較差，更甚者出現層間錯動面。由于水平巖層特殊的層狀結構，在結構面的影響下其力學特性呈現明顯的各向異性，在水平巖層中開挖隧道，易出現隧道拱頂離層、掉塊、局部超挖、初期支護開裂等現象，嚴重威脅隧道施工安全［1-3］。

目前不少學者針對水平巖層中的隧道施工進行了相關研究，苑俊廷［4］依托某鐵路隧道，通過試驗與現場監測，驗證了其初期支護參數的合理性；陳能力等［5］基于數值模擬研究了水平巖層厚度和施工方法對隧道圍巖力學行為的影響規律；葉來賓等［6］通過研究高地應力下水平巖層隧道掌子面塌方機理，提出了相應控制措施；王亞瓊等［7］采用離散元研究了水平巖層隧道中圍巖變形的破壞特征，得到了圍巖位移速率與巖層厚度相關規律。

現有大部分研究主要集中在水平巖層隧道開挖時的圍巖力學響應或破壞特征方面，而國內對水平巖層隧道設計參數更多依靠工程類比，現行《鐵路隧道設計規范》（TB 10003-2016）與《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》（JTG 33701-2018）中也缺少對在水平緩傾角巖層中修建隧道的特別說明。因此，有必要展開針對水平巖層隧道的相關支護參數優化研究。隧道錨噴支護中的系統錨桿對水平巖層起到較好的懸吊約束作用，在控制水平巖層隧道的圍巖變形方面作用明顯，因此本文依托某在建工程，通過研究不同錨桿長度、設置間距及布置范圍下圍巖變形及初期支護的力學響應特征，提出了水平巖層中隧道錨桿設計參數的優化建議，以期為類似工程的錨桿設計參數選取提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程及水文地質

依托工程為某雙向四車道高速公路隧道，設計速度100 km/h，其中右線長1 735 m，左線長1 751 m，隧道縱面為單向坡縱坡為1.5%，開挖跨度為13.75 m。隧址區屬剝蝕低山地貌區，地形坡度10°～40°，地形起伏較大，局部山體較陡。地表覆蓋層為殘坡積層，下伏基巖為三疊系扶隆組強-中風化粉砂巖，開挖揭示圍巖呈薄-中厚層狀構造，局部為互層或夾層狀，整體呈水平層理或近水平層理，節理裂隙發育，巖體破碎，層間膠結程度較弱。隧址區地下水主要為基巖裂隙水，主要賦存于強-中風化基巖裂隙中，地層富水性較好，主要接受大氣降水的補給，通過構造裂隙、層間裂隙和風化裂隙徑流，在地形切割低洼處以散流、泉的形式排出地表，匯集成溝溪，一般泉水多為季節泉，枯水季節干涸。

1.2 隧道支護參數

選取依托隧道Ⅳ-B圍巖段作為研究對象，其襯砌斷面設計見圖1，相關支護設計參數：二襯為厚度45 cm的C35鋼筋混凝土，初期支護采用間距80 cm的16工字鋼，噴射25 cm厚C25混凝土，系統錨桿采用長度為300 cm的22 mm中空注漿錨桿，錨桿布置間距80 cm×80 cm，鋼筋網采用間距為20 cm×20 cm的8 mm鋼筋，超前支護為42 mm×4 mm超前小導管，長度為450 cm，環距50 cm縱距320 cm，初期支護與二次襯砌間設置12 cm預留變形量。

2 數值計算模型

使用有限元軟件Midas-gts/NX建立依托工程的地層-結構計算模型，隧道上覆巖土體分別為殘積土層、強風化粉砂巖與中風化粉砂巖，相關參數與計算模型如表1、圖2所示。計算模型選取隧道右線K54+360～ K54+460段落，隧道埋深約40 m，為減少隧道開挖帶來的邊界效應帶來的誤差，選取地層模型范圍為120 m×120 m×90 m（長×寬×高），圍巖采用實體單元，錨桿采用植入式桁架單元，初期支護與二次襯砌采用板單元。計算模型四周設置水平方向約束，允許發生豎向的位移，模型底面設置為固定約束以限制底面位移。

3 錨桿設計參數優化

3.1 錨桿長度

在水平巖層中修筑隧道時，隧道錨桿的設置長度為重要的設計參數之一，為了研究不同錨桿長度在水平巖層隧道開挖中對圍巖變形與初期支護力學響應的影響，基于三維地層-結構數值計算模型，將隧道錨桿長度為設置為單一變量，分別就錨桿長度為2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m六種不同工況下進行模擬分析，計算結果如圖3～4所示。由圖可知：（1）隨著錨桿長度的增加，隧道圍巖收斂逐漸減小，錨桿長度超過4.5 m后，圍巖收斂速率明顯減慢；（2）初期支護最大應力隨著錨桿長度增長而相應減小，說明增加錨桿長度對初期支護受力有一定改善；（3）相較減少初期支護最大應力，錨桿長度的增加對控制圍巖收斂作用更加明顯。因此將依托工程的隧道錨桿長度優化調整為4.5 m。

3.2 錨桿間距

為研究錨桿間距在水平巖層隧道開挖中對圍巖變形與初期支護力學響應的影響，設置錨桿間距為單一變量，分別就錨桿間距為25 cm、50 cm、80 cm、100 cm、120 cm五種不同工況下進行模擬分析，計算結果如圖5～6所示。由圖可知：（1）隨著錨桿間距的減小，圍巖收斂有減少趨勢，但縮小錨桿間距對控制隧道圍巖收斂影響有限；（2）初期支護隨著錨桿間距的增大，其最大應力有增大趨勢，但變化不太明顯。由此得出錨桿間距對控制水平構造巖層隧道圍巖變形與改善初期支護受力作用有限，因此考慮到節約造價，可適當加大錨桿間距，因此將依托工程的隧道錨桿間距優化調整為100 cm。

3.3 錨桿布設角度

隧道的系統錨桿對水平巖層起到較好的懸吊約束作用，因此隧道拱圈錨桿的布設角度對其功能發揮十分重要。為了優化錨桿布設角度，將其設置為單一變量，分別在210°、180°、150°、120°、90°五種不同工況（如圖7所示）下進行模擬分析，計算結果如圖8～9所示。由圖可知：（1）隨著錨桿布設角度逐步增大，隧道圍巖收斂與初期支護應力數值呈減小趨勢，但錨桿布設角度＞180°后，隧道圍巖收斂與初期支護最大應力數值變化趨于穩定；（2）錨桿布設角度分別為210°、180°時，隧道圍巖收斂與初支應力數值較為接近，表示拱腳處錨桿對控制隧道變形與改善初期支護受力作用有限。因此建議將依托工程中隧道錨桿布設角度優化為150°～180°，適當取消拱腳位置錨桿以節省造價。

4 數值計算與現場監測對比

通過以上的參數優化，依托工程隧道的系統錨桿設計參數見表2，為驗證本次數值模型的準確性，提取錨桿參數優化后的初期支護位移云圖如圖10～11所示，通過與現場監測結果對比可得：隧道拱頂下沉最終監測值為16.1 mm，數值計算最終結果為12.1 mm，周邊收斂最終監測為11.6 mm，數值計算最終結果為8.4 mm，由于施工震動、測量誤差等其他原因，現場監測值略大于數值計算結果，但差異較小。結果表明本次計算較為準確地完成了水平巖層中的隧道施工力學的動態模擬，成功驗證了本次數值計算模型的可靠性，相關參數的優化結果具備一定的參考價值。

5 結語

本文依托某在建工程建立了三維地層-結構數值計算模型，為了對水平巖層隧道的錨桿進行參數優化，開展了多工況下的數值分析計算，就錨桿長度、間距和布置角度范圍等進行了優化分析，最后結合現場監測數據驗證了本次數值模型的準確性，得到以下結論：

（1）在一定范圍內，適當加長錨桿對控制水平巖層隧道圍巖變形與減小初期支護應力有一定作用。

（2）錨桿間距對控制水平巖層隧道圍巖變形與改善初期支護受力作用有限，過于加密錨桿間距會造成不必要浪費。

（3）水平構造巖層中隧道錨桿布設角度宜設置為180°～150°，可以適當取消拱腳位置錨桿以節省造價。

參考文獻

［1］周 祥，陳人豪，唐國軍，等.巖層產狀對公路隧道的影響分析［J］.西部交通科技，2018（4）：122-125.

［2］黃志棟.巖層產狀與隧道開挖變形機理研究［J］.公路交通科技（應用技術版），2019，15（3）：133-136.

［3］余 濤，朱寧波，姚志剛，等.深埋水平巖層隧道開挖穩定性分析及控制［J］.中國安全生產科學技術，2023，19（4）：93-99.

［4］苑俊廷.水平層狀圍巖隧道初期支護參數研究［J］.鐵道建筑，2016（4）：56-59.

［5］陳能力，鐘志欽.靜荷載下水平巖層隧道圍巖力學行為研究［J］.西部交通科技，2023（10）：182-186.

［6］葉來賓，李夢可，蒲 松，等.在高地應力作用下近水平巖層隧道掌子面穩定性分析及控制［J］.中國安全生產科學技術，2022，18（11）：119-125.

［7］王亞瓊，楊 強，潘紅偉，等.基于3DEC模擬的高地應力水平層狀隧道圍巖變形破壞特征分析［J］.現代隧道技術，2022，59（4）：127-136，146.

收稿日期：2024-03-08

作者簡介：陳嘉臻（1990—），工程師，主要從事高速公路建設工程管理工作。