噴錨支護(hù)洞室受力特征研究

董 武

（武漢鐵路局 武漢 430071）

0 引 言

當(dāng)前，噴錨支護(hù)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外大型地下工程中，積累了較多的實踐經(jīng)驗.但是關(guān)于噴錨支護(hù)設(shè)計計算理論發(fā)展相對緩慢，一些大型噴錨支護(hù)工程依然采用工程類比法或半理論半經(jīng)驗方法進(jìn)行設(shè)計［1］.針對地下洞室開挖支護(hù)工程，采用基于相似理論的地質(zhì)力學(xué)模型試驗不僅可以反映地質(zhì)構(gòu)造和工程結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，而且對數(shù)值試驗結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的驗證［2］.國內(nèi)學(xué)者對此問題已做了較多的研究，李丹［3］采用環(huán)氧－硅橡膠模型材料研究了錨桿加固效應(yīng)；顧金才［4］通過洞室模型試驗和巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度模型試驗分析了不同類型錨索加固效果；肖明［5］采用含錨桿柱單元的三維彈塑性損傷有限元分析了混凝土噴錨支護(hù) 特 性；朱 訓(xùn) 國［6］利 用 Mohr－Coulomb，Hoek－Brown以及Duncan－Chang理論分別分析了塊狀和碎塊狀巖體錨固的物理效應(yīng)；張思峰［7］利用顆粒流理論建立了砂固結(jié)預(yù)應(yīng)力錨桿錨固性能的顆粒流數(shù)值分析模型，等等.本文采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗和數(shù)值模擬方法，研究噴錨支護(hù)在均質(zhì)圍巖中的受力特點、變形特征和破壞形態(tài)，得出的噴錨支護(hù)作用機(jī)理是可信的.并在此基礎(chǔ)上，分析了支護(hù)參數(shù)選擇對加固效果的影響以及單獨噴錨支護(hù)和噴錨聯(lián)合支護(hù)在加固效果上的區(qū)別.

1 模型試驗

1.1 模型試驗參數(shù)選取

依據(jù)相似準(zhǔn)則、影響洞室性態(tài)主要變量及實驗室的設(shè)備條件，巖體模擬材料主要考慮抗拉、壓強(qiáng)度，變形模量，泊松比，粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角的相似，試驗中選取配比為m（標(biāo)準(zhǔn)砂）∶m（石膏）∶m（可賽銀）∶m（水速凝劑）＝6∶0.9∶0.1∶0.8的材料來模擬圍巖.此次試驗按洞室表面單位面積上含錨桿面積的比例來選擇錨桿直徑和間距，而錨桿長度一般能滿足相似要求，此次試驗采用錨固力為Pb＝25～50N，延伸率為δb＝18%，直徑0.75mm半硬化純鋁線材料來模擬錨桿.模擬噴層的的材料在力學(xué)性能上主要考慮了材料本身的拉、壓強(qiáng)度，變形模量和泊松比，此外還考慮了其抗剪強(qiáng)度及其與圍巖的粘結(jié)力，試驗中采用石膏、碳酸鈣和水材料進(jìn)行內(nèi)模澆注來模擬噴層.模型試驗設(shè)計方案如表1所列.

表1 均質(zhì)圍巖噴錨支護(hù)模型試驗概況

1.2 模型試驗技術(shù)

模型試驗設(shè)備有加載系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)組成，見圖1.取模型尺寸為50cm×50cm×20cm，則模型邊長與洞徑之比約為5∶1，模型厚度與洞徑之比約為2∶1，見圖2.針對給定地應(yīng)力場條件，模型4個側(cè)面采用應(yīng)力邊界條件，洞室軸向則采用平面變形條件，見圖3.模型制作工藝如下：在厚鋼板模具中，將模型分成兩半制作（貼片需要），每半10cm厚，每片模型分成3次上料、夯實，且每層夯錘沖擊力、次數(shù)基本一致，在上新料之前，把夯實材料上表面耙松以避免2層材料間的分層現(xiàn)象，夯實后，上表面用特制刮刀刮平.試驗時，將洞室縱軸線與水平面垂直，4個側(cè)面均加主動荷載，兩兩向上的荷載之比等于設(shè)計的側(cè)壓系數(shù)（N＝1／4），在模型上下表面還要施加縱向應(yīng)力.為減小模型表面的摩擦效應(yīng)，在表面用石膏墊層加以找平，在墊上兩層聚四氟乙烯塑料.采用每級荷載增量為0.1～0.4MPa進(jìn)行分級施加，直到洞室產(chǎn)生嚴(yán)重破壞為止.

圖1 模型試驗裝置圖

圖2 噴錨支護(hù)模型設(shè)計圖（單位：cm）

圖3 數(shù)值計算模型（正面）

1.3 試驗結(jié)果分析

試驗測量內(nèi)容有介質(zhì)應(yīng)變測量、洞壁位移測量、錨桿應(yīng)變測量和縱向應(yīng)力量測.因篇幅限制，只分析A組方案中的A1，A3和A4模型3組試驗，B組方案中B1，B8和B9模型3組試驗結(jié)果.圖4、圖5為A組試驗的噴錨支護(hù)與無支護(hù)洞室洞周應(yīng)變分布比較圖和洞室荷載－位移曲線比較圖，圖6、7分別為B組試驗的不同支護(hù)參數(shù)下噴錨支護(hù)洞周環(huán)向與徑向應(yīng)變分布（由左至右分別為B1，B8，B9模型試驗結(jié)果）.

從圖4中可以看出，在同一組模型中，噴錨支護(hù)洞室應(yīng)變分布狀態(tài)與毛洞的基本相似：（1）洞周應(yīng)變受拉、壓狀態(tài)基本相似.如N＜1時，圓形洞室洞周環(huán)向應(yīng)變除拱頂外全部受壓，并且最大壓應(yīng)變都發(fā)生在拱腳部位、洞壁附近，離洞壁遠(yuǎn)處，壓應(yīng)變值就逐漸減小.洞周徑向應(yīng)變都是洞壁附近受拉，離洞壁遠(yuǎn)處受壓，最大拉應(yīng)變都發(fā)生在拱頂或拱腳；（2）洞周應(yīng)變隨深度的變化規(guī)律基本相似，二者的拉、壓應(yīng)變值都隨深度的增加而減?。唬?）洞周圍巖內(nèi)的最大拉、壓應(yīng)變值所出現(xiàn)的部位也基本相同.在N＝1／4荷載條件下，洞周最大環(huán)向壓應(yīng)變都發(fā)生在洞室的拱腳部位，這與二者的破壞部位都在拱腳處相對應(yīng).洞周最大徑向拉應(yīng)變一般也都出現(xiàn)在洞室拱腳處，個別模型的拱頂徑向拉應(yīng)變也較大.正是由于具有（1）、（2）2個受力方面的共同特點，才有第三個共同特點，即在同樣荷載下，洞室的破壞部位基本相同.

圖4 噴錨支護(hù)與無支護(hù)洞室洞周應(yīng)變分布比較

從圖5洞壁荷載－位移曲線對比中看出，在同樣荷載下噴錨支護(hù)洞室拱頂位移曲線的斜率比毛洞的高，說明在同樣荷載增量下，噴錨支護(hù)洞壁位移小，亦即洞室整體變形剛度高.毛洞破壞時（即曲線出現(xiàn)折斷型轉(zhuǎn)折時）所對應(yīng)的洞壁位移僅為支護(hù)洞室的一半左右，這說明噴錨支護(hù)洞室比毛洞更能忍受較大的變形.這主要是由于錨桿對圍巖的串聯(lián)作用造成的.當(dāng)圍巖發(fā)生微裂時，錨桿依然在發(fā)揮著作用，牽連著裂隙巖體不至于產(chǎn)生迅速脫離，使得洞室破壞由脆性轉(zhuǎn)為延性，這是噴錨支護(hù)的重要作用之一.

圖5 洞室荷載－位移曲線比較

圖6 不同支護(hù)參數(shù)下噴錨支護(hù)洞周環(huán)向應(yīng)變分布特點

圖7 不同支護(hù)參數(shù)下噴錨支護(hù)洞周徑向應(yīng)變分布特點

從圖6、圖7中看出，在相同荷載下，噴錨聯(lián)合支護(hù)B8，B9模型對比毛洞B1模型，洞周最大拉、壓應(yīng)變值較小，圍巖介質(zhì)內(nèi)應(yīng)變受拉區(qū)深度較小且與洞室表面應(yīng)變相比數(shù)值較小，洞室拱頂環(huán)向應(yīng)變都受壓，而毛洞受拉，拱腳徑向應(yīng)變受壓，其他情況受拉，說明噴錨支護(hù)可以減弱洞壁附近的應(yīng)力集中，同時也改善了圍巖介質(zhì)內(nèi)的受力狀態(tài)，而噴層進(jìn)一步對拱腳變形進(jìn)行較大的約束.對比單獨錨桿支護(hù)B8和噴錨聯(lián)合支護(hù)B9模型的洞周應(yīng)變分布：二者環(huán)向應(yīng)變分布一致，洞周徑向應(yīng)變分布則有明顯不同，有噴層的B9模型的拱腳處徑向應(yīng)變完全受壓，而無噴層的B8模型卻在該處出現(xiàn)很大的拉應(yīng)變，表明噴層有力地限制了拱腳處圍巖朝洞內(nèi)的徑向變形，改善了圍巖的受力狀態(tài).另外對比兩組試驗單獨錨桿支護(hù)形式，錨桿長度及間距對其加固效果（主要指洞室破壞荷載和洞周拉、壓應(yīng)變數(shù)值）影響較大，如加固效果顯著的A3模型錨桿參數(shù)是長度Lb＝0.5r0，間距a＝0.3r0＝b（r0為洞室半徑）.

2 數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D快速拉格朗日有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬.噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)采用以下單元［8］：二維巖石錨桿單元是可以考慮軸向在拉伸或壓縮應(yīng)力下達(dá)到屈服狀態(tài)，并定義拉伸破壞極限和有效側(cè)限應(yīng)力模擬巖石錨桿破壞情況；襯砌結(jié)構(gòu)單元可視為粘結(jié)在網(wǎng)格表面上的殼體單元，可模擬法向方向上的拉伸和壓縮作用以及襯砌與圍巖介質(zhì)在剪切方向摩擦力作用；巖體采用摩爾－庫侖彈塑性模型，并設(shè)置大應(yīng)變模式（模型示意圖如圖3所示）.模型采用直角坐標(biāo)系，不考慮重力影響.在模型垂直法向和水平法向邊界面分6步增加至6.72MPa（4倍巖體抗壓強(qiáng)度）和1.68MPa（1／4倍側(cè)壓）的應(yīng)力邊界條件，并指定每個大步運(yùn)行500個子步以便使模型達(dá)到平衡狀態(tài).由于程序規(guī)定結(jié)構(gòu)單元尺寸至少達(dá)到單個計算網(wǎng)格尺寸，金屬墊片模擬做如下處理：在刪除錨桿端頭原來錨體和區(qū)域之間自動建立的連接之后，通過設(shè)置錨桿外錨頭和其附近介質(zhì)為剛性鉸結(jié)來實現(xiàn)墊墩作用.計算采用的材料物理力學(xué)參數(shù)見表2.

表2 計算模型相關(guān)參數(shù)

圖8為A組試驗中噴錨支護(hù)洞室荷載－位移曲線.圖9和10分別為計算得到的B組試驗中不同支護(hù)參數(shù)下噴錨支護(hù)洞周體應(yīng)變和剪切應(yīng)變增量云圖（由左至右分別為B1，B8，B9模型計算結(jié)果）.

圖8 噴錨支護(hù)洞室荷載－位移曲線

從圖8可以看出，A3單獨錨桿支護(hù)洞室模型、A4B9噴錨支護(hù)洞室模型與A1毛洞模型在豎直和水平方向上荷載－位移曲線變化趨勢相似，且洞室拱腳位移都是朝向洞外的，說明噴錨支護(hù)不能改變圍巖的受力特征.同時，在相同荷載條件下，噴錨支護(hù)洞室（A4）拱頂位移曲線的斜率比毛洞（A1）高，說明在同樣荷載增量條件下，噴錨支護(hù)洞壁位移較小，這與模型試驗結(jié)果一樣.為使噴層與圍巖協(xié)調(diào)變形以發(fā)揮圍巖支撐作用，在數(shù)值試驗中兩者材料參數(shù)取值相近，且都是理想狀態(tài)下經(jīng)驗值，這就使得曲線變化幅度與模型試驗差別較大.

3 結(jié) 論

1）噴錨支護(hù)可以改變圍巖的受力狀態(tài)，但不能改變圍巖的基本受力特征.在同樣荷載條件下噴錨支護(hù)洞室洞周應(yīng)變增量較小，洞壁荷載－位移曲線斜率較高，但圍巖應(yīng)變分布狀態(tài)與毛洞的基本相似，這是由于噴錨支護(hù)通過錨桿對圍巖內(nèi)部的串聯(lián)作用和噴層對圍巖表面的封閉作用，只把部分圍巖變成了相對于原圍巖有較高的強(qiáng)度、較大變形承受能力的材料.

2）噴錨支護(hù)可以提高洞室的整體變形剛度及其忍受較大變形的能力.這是由于噴層作為一個完整的有空間支點的殼體對拱腳處圍巖產(chǎn)生了頗為可觀的反作用，從而阻止了拱腳處材料的內(nèi)移.當(dāng)洞室圍巖受力變形時，噴錨支護(hù)與圍巖保持同步變形，并在變形過程中對圍巖提供越來越大的約束作用，起到了一定的支撐作用.

3）噴錨支護(hù)對圍巖的加固效果與支護(hù)參數(shù)選擇具有密切關(guān)系.要提高洞室的穩(wěn)定性，只增加錨桿長度不行，還必須具有足夠的密度以提高在洞室破壞時錨桿對洞壁脫落體的約束力.由此，在工程中宜采用長短結(jié)合、相間布置的錨桿支護(hù)型式，以便圍巖深部、淺部均得到較強(qiáng)的加固，同時，也應(yīng)注意錨桿、錨桿注漿及噴層材料應(yīng)與圍巖相匹配問題.

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