水平砂泥巖隧道錨桿支護(hù)變形和受力特性研究

張帥軍， 種玉配， 齊燕軍， 劉書(shū)奎

(1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)研究院， 廣東 廣州 511400； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院)

隧道開(kāi)挖導(dǎo)致應(yīng)力重分布，容易致使隧道圍巖發(fā)生變形和破壞。水平層狀巖體是隧道施工過(guò)程中常見(jiàn)的一種地質(zhì)情況，層面和節(jié)理的存在使得圍巖的不連續(xù)性和各向異性十分顯著，同時(shí)使得隧道圍巖破壞具有比較特殊的形態(tài)，例如拱部平拱、拱頂彎折和離層。錨桿支護(hù)是目前隧道施工過(guò)程中一種比較常見(jiàn)的支護(hù)手段。曹興松等針對(duì)陡傾小交角層狀圍巖隧道采取非對(duì)稱(chēng)非均長(zhǎng)布置錨桿，有效地防止圍巖發(fā)生順層破壞，控制圍巖變形；騰俊洋等提出錨固區(qū)范圍越大，錨桿對(duì)裂紋的止裂效果越好，錨桿對(duì)裂紋的止裂效果與錨固區(qū)范圍大小有關(guān)；常偉針對(duì)大梁峁隧道提出錨桿設(shè)置范圍宜為拱部160°，錨桿長(zhǎng)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(zhǎng)度以提高襯砌支護(hù)強(qiáng)度，改善拱肩部位的剪切破壞情況；胡雄玉等通過(guò)相似模型試驗(yàn)得出在層狀圍巖隧道中，聯(lián)合支護(hù)中的錨桿長(zhǎng)度和間距存在最優(yōu)值，超過(guò)最優(yōu)值之后的錨桿加固效果不再明顯。

該文針對(duì)段家坪隧道，對(duì)水平砂泥巖隧道錨桿支護(hù)下隧道圍巖變形、錨桿軸力和初期支護(hù)與圍巖接觸壓力進(jìn)行分析，為現(xiàn)場(chǎng)錨桿支護(hù)參數(shù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。

1 工程概況

蒙華鐵路北起內(nèi)蒙古浩勒?qǐng)?bào)吉站，終點(diǎn)為江西省吉安市，規(guī)劃設(shè)計(jì)輸送能力為2億t/年。段家坪隧道位于蒙華鐵路第九標(biāo)段，位于陜西省延安市宜川縣境內(nèi)，隧道進(jìn)口里程為DK446+664.02，出口里程為DK457+387.00，隧道全長(zhǎng)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(tǒng)厚層砂巖夾薄層泥巖為主，巖層產(chǎn)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(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)

采用3DEC建立模型，模型寬100 m，高70 m。隧道開(kāi)挖總的寬度為14 m，開(kāi)挖總高度為11 m。巖體和初支采用理想彈塑性模型，破壞準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb準(zhǔn)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(shè)為自由邊界。建立的隧道模型見(jiàn)圖1。

圖1 隧道計(jì)算模型

計(jì)算中通過(guò)等效方法考慮鋼拱架的參數(shù)，圍巖、噴射混凝土和錨桿材料參數(shù)如表1所示。

表1 隧道圍巖及支護(hù)材料參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬工況

首先把錨桿在隧道拱部180°內(nèi)布置，錨桿的間距設(shè)為1.5 m，只改變錨桿的長(zhǎng)度進(jìn)行模擬，分析了錨桿的長(zhǎng)度與隧道圍巖穩(wěn)定之間的聯(lián)系；同理只改變錨桿的間距，分析錨桿間距與隧道圍巖穩(wěn)定之間的聯(lián)系。具體模擬工況見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算工況

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

分別統(tǒng)計(jì)工況1～5和工況6～10數(shù)值模擬中隧道圍巖拱頂沉降數(shù)據(jù)，如圖2、3所示。

圖2 錨桿長(zhǎng)度與拱頂沉降關(guān)系圖

圖3 錨桿間距與拱頂沉降關(guān)系圖

從圖2可知：錨桿長(zhǎng)度從2 m增加到3 m過(guò)程中，隧道拱頂沉降累計(jì)值迅速減??；當(dāng)錨桿長(zhǎng)度達(dá)到3 m以后隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，隧道拱頂沉降累計(jì)值的減小量變得非常小，說(shuō)明錨桿增加的部分起到的作用很小，即采用3 m長(zhǎng)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(guò)程中，隧道拱頂沉降累計(jì)值迅速減??；當(dāng)錨桿間距達(dá)到1.5 m以后隨著錨桿間距的減少，隧道拱頂沉降累計(jì)值的減小量變得非常小，說(shuō)明繼續(xù)減少錨桿間距對(duì)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)狀況

在監(jiān)測(cè)斷面布置9根錨桿，每根錨桿上設(shè)置3個(gè)軸力計(jì)，同時(shí)在每一根錨桿位置處埋設(shè)壓力盒，錨桿和壓力盒布置如圖4所示。分別進(jìn)行有、無(wú)錨桿支護(hù)，不同錨桿長(zhǎng)度支護(hù)和不同等級(jí)圍巖錨桿支護(hù)下錨桿軸力和初期支護(hù)與圍巖接觸壓力監(jiān)測(cè)。

圖4 錨桿與壓力盒布置示意圖

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

統(tǒng)計(jì)分析設(shè)置3 m長(zhǎng)度錨桿和不設(shè)置錨桿情況下的初期支護(hù)與圍巖接觸壓力，結(jié)果如圖5所示。

圖5 初期支護(hù)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(hù)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(shù)值上看，在有、無(wú)錨桿的情況下圍巖與初期支護(hù)接觸壓力有大有小，總體上看，無(wú)錨桿試驗(yàn)斷面圍巖與初期支護(hù)接觸壓力略大。設(shè)置3 m錨桿下，在水平砂泥巖隧道拱部圍巖與初期支護(hù)的接觸壓力明顯較無(wú)錨桿減小，說(shuō)明錨桿在拱部承受了一定的荷載，分擔(dān)了部分圍巖壓力。

統(tǒng)計(jì)分析錨桿長(zhǎng)度分別為2、3和4 m長(zhǎng)度下的錨桿軸力，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同長(zhǎng)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(gè)別測(cè)力點(diǎn)受壓，可能是由于圍巖的應(yīng)力集中引起。2 m錨桿內(nèi)端部的拉力較3、4 m錨桿少很多，2 m錨桿對(duì)水平砂泥巖隧道圍巖的加固作用不明顯。

統(tǒng)計(jì)分析不同等級(jí)圍巖下錨桿軸力結(jié)果如圖7所示。

從圖7可知：水平砂泥巖隧道不同圍巖級(jí)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(duì)很小，拱腰和拱腳部位錨桿作用相對(duì)較弱。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖拱部錨桿軸力最大值分別為13.18、18.13、21.97 kN，可見(jiàn)隨著圍巖強(qiáng)度的降低，錨桿的軸力越來(lái)越大，說(shuō)明圍巖強(qiáng)度越低，其自穩(wěn)能力越差，錨桿對(duì)圍巖變形發(fā)揮的控制作用越大。

圖7 不同圍巖級(jí)別下錨桿軸力圖(單位：kN)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)水平砂泥巖隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)錨桿軸力和初期支護(hù)與圍巖接觸壓力的監(jiān)測(cè)，得到了隧道拱頂沉降隨著錨桿長(zhǎng)度和間距的變化規(guī)律，以及不同錨桿長(zhǎng)度及不同圍巖下錨桿軸力，主要結(jié)論如下：

(1) 隨著錨桿長(zhǎng)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(zhǎng)度達(dá)到3 m，錨桿間距達(dá)到1.5 m后，繼續(xù)增加錨桿長(zhǎng)度和減少錨桿間距對(duì)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(dān)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(duì)拱腰和拱腳處錨桿進(jìn)行優(yōu)化，少設(shè)置或者不設(shè)置錨桿。

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