公路隧道圍巖錨桿支護(hù)優(yōu)化研究

柳越文

摘要：文章結(jié)合隧道施工經(jīng)驗(yàn)，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(tǒng)錨桿使用方式進(jìn)行模擬計(jì)算，分析隧道圍巖不同錨桿參數(shù)下的穩(wěn)定性，以達(dá)到優(yōu)化圍巖錨桿支護(hù)方式的目的，并通過現(xiàn)場監(jiān)控測量數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了優(yōu)化效果。

關(guān)鍵詞：公路隧道工程;三維離散元;支護(hù)體系;模擬分析

中國分類號：U455.7文章標(biāo)識碼：A230856

0 引言

我國是個(gè)幅員遼闊且多山的國家，公路的建設(shè)離不開隧道的建設(shè)，隨著公路里程數(shù)的增長，使得我國交通建設(shè)行業(yè)得到迅猛的發(fā)展趨勢，施工技術(shù)與施工設(shè)備也有了很大的革新，隧道工程的建設(shè)也達(dá)到了空前規(guī)模[1]。隧道工程的發(fā)展推動(dòng)了公路隧道理論設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步，將實(shí)際工程與理論設(shè)計(jì)結(jié)合運(yùn)用到隧道工程上，為項(xiàng)目帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益，已成為行業(yè)努力的最終目標(biāo)。目前，錨桿支護(hù)技術(shù)是隧道工程項(xiàng)目較為常用的施工技術(shù)，但對錨桿支護(hù)的理論研究仍然不足，多以理論和經(jīng)驗(yàn)結(jié)合輔助工程，很難做到工程支護(hù)細(xì)化，容易造成材料的浪費(fèi)。本文通過結(jié)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(shí)踐，研究環(huán)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(hù)優(yōu)化研究

本項(xiàng)目大部分隧道穿越斷層破碎帶、巖溶區(qū)、淺埋巖堆區(qū)、水平巖層區(qū)、高應(yīng)力區(qū)及高富水區(qū)等不良地質(zhì)段，施工風(fēng)險(xiǎn)高難度大。而隧道工程最基礎(chǔ)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(xiàng)綜合性指標(biāo)，因此圍巖等級應(yīng)按照工程要求將相對應(yīng)的地質(zhì)條件進(jìn)行等級劃分，才能使隧道安全性提高及進(jìn)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(shí)際工程中錨桿按照三維布置，掌子面大多數(shù)也存在結(jié)構(gòu)面。本文將通過三維離散元軟件對隧道進(jìn)行模擬計(jì)算[2]，原因是其他有限元等軟件不能考慮巖體節(jié)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(jié)合試驗(yàn)段Ⅲ級圍巖圖紙進(jìn)行三維模型的建立，通過提供不同錨桿數(shù)量的方式，來得到系統(tǒng)錨桿最佳的使用方法。考慮到邊界效應(yīng)和隧道埋深對隧道圍巖的影響，以及隧道開挖時(shí)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(jìn)行開挖并建立計(jì)算模型。

1.2 Ⅲ級圍巖系統(tǒng)錨桿優(yōu)化模擬研究

系統(tǒng)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(tǒng)錨桿與拱頂范圍內(nèi)保留系統(tǒng)錨桿（方案二）、拱腳與拱腰處保留系統(tǒng)錨桿（方案三）、只使用初期支護(hù)（方案四）三種優(yōu)化方案進(jìn)行建模分析。通過圍巖的各項(xiàng)研究對比，得到系統(tǒng)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(yōu)化方案下Ⅲ級圍巖的水平位移與豎向位移應(yīng)力云圖數(shù)據(jù)，得到圍巖左右收斂與拱頂沉降最大數(shù)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(tǒng)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(dòng)，不利于使用;原方案與方案二對比，拱頂保留系統(tǒng)錨桿會增加拱頂?shù)某两担荒苓_(dá)到預(yù)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(tǒng)錨桿可以加強(qiáng)穩(wěn)定效果。

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

（3）通過收集原方案與三種優(yōu)化方案系統(tǒng)錨桿軸力云圖數(shù)據(jù)得到，錨桿穿過結(jié)構(gòu)面時(shí)會產(chǎn)生較大拉力，并且隨著錨桿長度增長而發(fā)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(jié)構(gòu)面時(shí)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(hù)起不到明顯作用。

（4）通過收集原方案與三種優(yōu)化方案初期支護(hù)混凝土第三主應(yīng)力云圖數(shù)據(jù)得到，這四種方案最大壓應(yīng)力為39.986～40.550 MPa，最大拉應(yīng)力為3.030～3.221 MPa，可知在各種方案下隧道混凝土壓應(yīng)力都有明顯的增大，表明初期支護(hù)混凝土承擔(dān)支護(hù)作用的效果不明顯。初期支護(hù)混凝土很容易在左拱肩、右拱肩以及拱腳處產(chǎn)生應(yīng)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?xí)r需加強(qiáng)噴射的質(zhì)量。

（5）隧道塑性區(qū)范圍

通過收集原方案與三種優(yōu)化方案塑性區(qū)范圍3DEC模擬云圖數(shù)據(jù)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(qū)造成的影響很小。

2 Ⅳ[HT《漢儀中黑簡》]級圍巖錨桿支護(hù)優(yōu)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(jié)合試驗(yàn)段Ⅳ級圍巖圖紙進(jìn)行三維模型的建立，通過提供不同錨桿數(shù)量的方式，得到系統(tǒng)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(jìn)行開挖并建立計(jì)算模型。

2.2 Ⅳ級圍巖系統(tǒng)錨桿優(yōu)化模擬研究

系統(tǒng)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(shè)計(jì)全斷面保留系統(tǒng)錨桿及只保留左側(cè)與節(jié)理夾角較大的系統(tǒng)錨桿（方案二）、僅使用初期支護(hù)混凝土與拱架（方案三）兩種優(yōu)化方案進(jìn)行建模分析。研究對比得到系統(tǒng)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(yīng)力云圖數(shù)據(jù)得到，圍巖左右收斂與拱頂沉降最大數(shù)值，如表2所示。

由表2方案三與原方案、方案二對比可知，設(shè)置頂部錨桿能減小拱頂?shù)某两盗颗c拱底隆起，設(shè)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(shè)置錨桿能減小拱頂沉降，但效果不明顯，而適當(dāng)布置方案二錨桿的數(shù)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(yù)期的效果。

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

（3）通過收集系統(tǒng)錨桿軸力云圖數(shù)據(jù)得到，隨著長度的變化，所有錨桿的軸力都發(fā)生變化，右側(cè)錨桿的受力要小于左側(cè)錨桿，且均受拉力作用并符合受力特性。原方案中右側(cè)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(cè)拱肩至左右拱腳處錨桿的受力則較大，特別是與結(jié)構(gòu)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(nèi)，可用注漿小導(dǎo)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(dāng)減少錨桿的使用數(shù)量。

（4）通過收集三種方案初期支護(hù)混凝土第三主應(yīng)力云圖數(shù)據(jù)得到，三種方案最大壓應(yīng)力為49.414～58.820 MPa，最大拉應(yīng)力為6.900～7.960 MPa，可知在各種方案下隧道混凝土壓應(yīng)力都有明顯的增大，表明初期支護(hù)混凝土主要承擔(dān)支護(hù)作用且效果明顯。但是初期支護(hù)混凝土容易在左拱腳、右拱腳及臺階分界處有應(yīng)力集中，所以初期噴射混凝土?xí)r需加強(qiáng)噴射的質(zhì)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(dāng)取消錨桿的使用數(shù)量。

2.3 Ⅳ圍巖鎖腳錨桿數(shù)值模擬分析

如今隧道工程中鎖腳錨桿已經(jīng)起到了不可替代的作用，為此本文通過模擬實(shí)際項(xiàng)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(shè)長度，得到最佳的鎖腳錨桿支護(hù)參數(shù)。本隧道鎖腳錨桿設(shè)計(jì)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(wěn)定性，通過收集4.5 m鎖腳錨桿下插長度圍巖豎向位移應(yīng)力云圖數(shù)據(jù)，繪制拱頂沉降與下插角度、錨桿長度的關(guān)系曲線圖（圖3、圖4）。由圖3可知，拱頂沉降最大出現(xiàn)在鎖腳錨桿剛插入時(shí)，表明鎖腳錨桿對拱頂沉降有一定的影響;下插角度為15°時(shí)下沉大幅度減小，35°時(shí)沉降略微增加，45°時(shí)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(dāng)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(yīng)力云圖數(shù)據(jù)，繪制左右邊墻收斂與下插角度、錨桿長度的關(guān)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(guān)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(guān)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(jié)理面設(shè)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(hù)經(jīng)濟(jì)效益與支護(hù)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(guī)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(shù)據(jù)，可知錨桿受拉力起到了固定的效果，根據(jù)下插角度的變化錨桿軸力波動(dòng)變化較大。當(dāng)0°～15°插入時(shí)，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(shí)要保證下臺階鎖腳錨桿的質(zhì)量，才能保證鋼拱架的穩(wěn)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(xiàn)場監(jiān)控測量數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場監(jiān)控作為隧道實(shí)驗(yàn)階段的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，是新奧法的主要內(nèi)容，也是新奧法設(shè)計(jì)與施工的重要組成部分。

3.1 監(jiān)測內(nèi)容與方法

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得到具體監(jiān)測項(xiàng)目內(nèi)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(shù)據(jù)監(jiān)測分析

（1）Ⅲ級圍巖試驗(yàn)階段不采用系統(tǒng)錨桿，而換成混凝土、鋼筋網(wǎng)片來進(jìn)行初期支護(hù)。將Ⅲ級圍巖試驗(yàn)段拱頂沉降與水平收斂的位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)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(gè)月后增長到4.8 mm，監(jiān)測結(jié)束時(shí)圍巖沉降與收斂速率都降低了，并符合規(guī)范的要求。這表明隧道處于穩(wěn)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(yīng)力隨日期變化數(shù)據(jù)繪制成圖（圖8），可知混凝土在初期支護(hù)中起到了主要的作用;掌子面受力情況與壓力盒的布設(shè)有關(guān)，右側(cè)的受力明顯大于左側(cè)受力，右側(cè)拱腳、拱肩應(yīng)力計(jì)埋設(shè)點(diǎn)與節(jié)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(yīng)力規(guī)范允許范圍內(nèi)，且現(xiàn)場也未發(fā)現(xiàn)混凝土掉落與裂開的情況，在Ⅲ級圍巖中去除設(shè)立錨桿是可行的。

3.3 Ⅳ級圍巖數(shù)據(jù)監(jiān)測分析

（1）在Ⅳ級圍巖試驗(yàn)段中，僅將系統(tǒng)錨桿布置于與節(jié)理夾角較大的區(qū)域，采用15°下插角度的4.5 m的鎖腳錨桿進(jìn)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(shí)間變化的數(shù)據(jù)繪制成圖（圖9），可知拱頂沉降與拱腰收斂均在20 d以后達(dá)到穩(wěn)定，經(jīng)過一個(gè)月后基于穩(wěn)定。由于此工程為上下臺階法施工，因此拱腳收斂數(shù)據(jù)收集較慢，且經(jīng)過20 d后趨于穩(wěn)定。進(jìn)行下導(dǎo)開挖圍巖的位移增長會持續(xù)增加，此時(shí)不及時(shí)采取措施會造成隧道變形增大。監(jiān)測結(jié)束時(shí)圍巖沉降與收斂速率都降低了，并符合規(guī)范的要求，隧道也處于穩(wěn)定狀態(tài)，控制隧道變形方面的優(yōu)化方案切實(shí)可行。

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

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

4 結(jié)語

錨桿支護(hù)是新奧法施工支護(hù)結(jié)構(gòu)中最重要的結(jié)構(gòu)，錨桿參數(shù)的正確選擇是隧道施工的重點(diǎn)難題。本文結(jié)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(shí)踐，選擇試驗(yàn)段Ⅲ級、Ⅳ級圍巖的掌子面，運(yùn)用三維離散元軟件對隧道進(jìn)行模擬計(jì)算，分析隧道圍巖不同錨桿參數(shù)下的穩(wěn)定性，并將最佳的方式應(yīng)用于現(xiàn)場施工后，取得了很好的效果，得出以下結(jié)論：

（1）采用全斷面法開挖Ⅲ級圍巖，針對系統(tǒng)錨桿選取包括原設(shè)計(jì)方案在內(nèi)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(yīng)力、軸力、壓應(yīng)力與塑性區(qū)范圍情況，可知取消錨桿后對隧道整體穩(wěn)定性沒有太大的影響，所以在此試驗(yàn)段可以取消錨桿的使用，只進(jìn)行初期支護(hù)混凝土噴射，但初期支護(hù)混凝土容易在左、右拱肩及拱腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中，可以通過增強(qiáng)初期噴射混凝土的質(zhì)量來達(dá)到效果。

（2）采用上下臺階法開挖Ⅳ級圍巖，針對系統(tǒng)錨桿選取包括原設(shè)計(jì)方案在內(nèi)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(yīng)力情況，可知錨桿對圍巖整體穩(wěn)定不會有很好的效果，所以應(yīng)適當(dāng)減少錨桿的使用數(shù)量，才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)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(shí)，支護(hù)效果最佳為錨桿4.5 m時(shí)。根據(jù)上下臺階施工特性，為了保證下臺階施工的質(zhì)量，可在必要時(shí)改為注漿導(dǎo)管施工。

（3）通過對Ⅲ、Ⅳ級圍巖中錨桿使用的優(yōu)化方案數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，結(jié)果表明混凝土與鋼架受力大、位移小，均在正常范圍內(nèi)，并起到了主要的支護(hù)作用。通過此方法驗(yàn)證了優(yōu)化方案能保障隧道的施工安全。

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