巷道錨桿錨索協(xié)同支護(hù)數(shù)值模擬研究

唐 紅 朱曉菲

（河南城建學(xué)院建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，河南省平頂山市，467036）

目前巖土錨固支護(hù)已經(jīng)成為解決復(fù)雜巖土工程問題和提高巖土工程穩(wěn)定性最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法之一，但是由于巖土錨固作用機理復(fù)雜，尤其在地質(zhì)條件復(fù)雜的錨固工程中，錨固支護(hù)效果受地質(zhì)工程條件、錨桿（錨索）和圍巖的相互作用、錨桿（錨索）支護(hù)參數(shù)、施工技術(shù)等眾多因素的影響，支護(hù)設(shè)計方案和參數(shù)主要以工程經(jīng)驗為主，存在很大的不確定性和盲目性。因此，對錨桿、錨索的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)一步探索更為合理的支護(hù)方式和參數(shù)具有重要的意義。

1 錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)原理

巷道在開挖后，圍巖的原始平衡狀態(tài)被打破，圍巖由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為兩向應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力發(fā)生重新分布，圍巖產(chǎn)生變形，這時就需要進(jìn)行巷道支護(hù)。錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)作為一種有效的支護(hù)方式，在具體的支護(hù)過程中，錨固機理是怎樣的？錨固作用又是如何產(chǎn)生的呢？相對于錨索支護(hù)，錨桿支護(hù)屬于柔性支護(hù)。就錨桿、錨索的支護(hù)材料而言，錨桿桿體的延伸率可以達(dá)到15%以上，是錨索鋼絞線延伸率的5倍以上。同時，錨桿的桿體較短，錨固范圍較小，一般不大于2.5 m，而錨索的長度較長，錨固深度更深，錨固范圍更大，甚至達(dá)到了幾十米。在軟弱的圍巖條件下進(jìn)行開挖，圍巖的變形量很大，開挖后如果進(jìn)行錨索支護(hù)會因錨索延伸量超過極限而拉斷，因此在巷道開挖初期只進(jìn)行錨桿支護(hù)，允許圍巖發(fā)生較大變形，釋放變形能。通過錨桿的預(yù)應(yīng)力加固作用，錨巖加固體在一定變形范圍內(nèi)可以保持自身穩(wěn)定。等到錨巖加固體的自穩(wěn)性達(dá)到極限之前、圍巖剩余變形小于錨索極限延伸量時再進(jìn)行錨索支護(hù)，通過錨索懸吊作用進(jìn)一步將錨巖加固體懸吊在上覆堅硬巖層中，抑制圍巖的剩余變形，進(jìn)一步增強圍巖的承載能力。錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)使錨桿和錨索各自發(fā)揮了自身的優(yōu)勢，減小了巷道變形，在開挖支護(hù)初期錨桿支護(hù)發(fā)揮柔性作用，既可讓圍巖發(fā)生一定的變形，又可給圍巖一定的支撐力，阻止圍巖過大的剪脹變形，提高圍巖的強度；后期錨索支護(hù)發(fā)揮剛性支護(hù)作用，進(jìn)一步提高與改善錨桿支護(hù)的整體性能，達(dá)到控制圍巖大變形的目的。在錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)設(shè)計時，最關(guān)鍵的是采用合理的錨桿支護(hù)形式和參數(shù)，選擇恰當(dāng)?shù)腻^索支護(hù)時機和與錨桿支護(hù)相匹配的錨索支護(hù)參數(shù)。

本文基于錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)原理，在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，重點研究錨索支護(hù)參數(shù)之間的協(xié)同匹配關(guān)系和錨索支護(hù)與錨桿支護(hù)之間的協(xié)同效應(yīng)。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 計算模型

以河南某礦工程實際為基礎(chǔ)，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維數(shù)值模型。模型的三維尺寸為40 m×30 m×4 m，巷道的工程斷面為半圓拱形，凈寬4 m，直墻高1.4 m，凈斷面積為11.88 m2。模型采用放射狀網(wǎng)格，共劃分8064個單元，9527個網(wǎng)格結(jié)點。巷道所在的巖層主要是由粉砂巖、泥質(zhì)頁巖以及細(xì)砂巖等組成，其中巷道周圍以泥質(zhì)頁巖為主，厚度約為10 m。通過巖石力學(xué)試驗，確定模型中巷道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型中巷道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)

模型的邊界條件包括位移邊界條件和應(yīng)力邊界條件。計算模型的邊界條件和荷載約束見圖1，其中考慮到上覆巖體自重應(yīng)力大小，取荷載大小為25 MPa。

2.2 模擬方案

由于錨索支護(hù)的參數(shù)較多，如果全都考慮進(jìn)去，則工作量非常大，因此本文主要選擇錨索預(yù)緊力、錨索長度、錨索錨固長度3個有代表性的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行研究分析。結(jié)合工程實踐，選取錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)。錨桿采用高強錨桿，其屈服強度不小于600 MPa，抗拉強度不小于800 MPa，延伸率不小于18%，錨桿長度為2.2 m，錨固長度為0.66 m，錨桿直徑為24 mm，鉆孔直徑為30 mm，施加的預(yù)緊力為20 k N，錨桿間排距為800 mm×800 mm，巷道半圓拱斷面布置7根錨桿，兩直墻段布置6根錨桿。錨索直徑為22 mm，鉆孔直徑28 mm，支護(hù)排距為1.6 m，半圓拱斷面布置3根錨索，兩直墻段中部各布置1根錨索。另外，錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)時要考慮支護(hù)時機問題，即巷道開挖后先進(jìn)行錨桿支護(hù)，再進(jìn)行錨索支護(hù)，否則兩者同時施加會導(dǎo)致錨索超前受力而拉斷。在考慮錨索延緩支護(hù)時經(jīng)初步試算，選擇在錨桿支護(hù)為300時步時再添加錨索支護(hù)，可以避免錨索及早受力而拉斷的問題。

圖1 模型邊界條件和荷載約束

在圍巖條件和錨桿、錨索其他參數(shù)一定的情況下，對所研究3個錨索支護(hù)參數(shù)分別選取3個水平值，然后按照正交試驗設(shè)計方法進(jìn)行組合，安排9次正交試驗進(jìn)行數(shù)值模擬，見表2，表中錨固長度系數(shù)為錨固長度與錨索長度的比值。

表2 數(shù)值模擬方案的正交試驗表

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 巷道圍巖變形的影響因素重要性分析

巷道支護(hù)效果評價可以通過巷道表面變形收斂量來反映。將9組正交試驗的頂?shù)装迨諗苛亢蛢蓭褪諗苛糠謩e進(jìn)行極差和方差分析，得到巷道圍巖位移極差分布直方圖，見圖2。

影響圍巖頂?shù)装迨諗孔冃蔚闹饕蛩厥清^索預(yù)緊力，其次是錨索長度，最后是錨固長度系數(shù)，經(jīng)方差分析，預(yù)緊力影響的顯著性水平達(dá)到了99%，影響最為顯著，而錨索長度和錨固長度系數(shù)的影響程度大體相同，顯著性水平在90%左右。影響圍巖兩幫變形的主要因素也是錨索預(yù)緊力，其次是錨索長度，最后是錨固長度系數(shù)，這和頂?shù)装遄冃蔚挠绊懸?guī)律是相同的，其中預(yù)緊力影響的顯著性水平達(dá)到了96%。因此，錨索預(yù)緊力的大小對巷道圍巖的整體變形影響最為顯著，在實際支護(hù)時應(yīng)重點考慮。

圖2 圍巖變形影響因素的極差分布圖

3.2 錨索預(yù)緊力對圍巖變形的影響規(guī)律分析

為了更直觀地分析錨索各支護(hù)參數(shù)對圍巖變形的影響規(guī)律，對9組正交試驗的頂?shù)装濉蓭臀灰茢?shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪出錨索預(yù)緊力、錨索長度和錨固長度系數(shù)對巷道圍巖頂?shù)装?、兩幫位移平均值的關(guān)系曲線圖，見圖3。

錨索不同預(yù)緊力與巷道圍巖位移變化的關(guān)系曲線見圖3（a）、（b）。結(jié)果表明：

（1）錨索預(yù)緊力的變化對巷道頂?shù)装遄冃问諗亢蛢蓭妥冃问諗康挠绊懸?guī)律是相同的，即隨著錨索預(yù)緊力的增加，巷道圍巖變形得到有效控制，預(yù)緊力越大，圍巖變形越小，反之亦然。

（2）在巷道頂?shù)装逦灰谱兓€中，錨索預(yù)緊力為80～100 k N時的巷道頂?shù)装逦灰谱兓时阮A(yù)緊力為100～120 k N要大，即在預(yù)緊力為100 k N時存在突變點。由于錨桿施加的預(yù)緊力為20 k N，也就是說，當(dāng)錨桿預(yù)緊力為20 k N、錨索預(yù)緊力為100 k N時，錨桿與錨索的聯(lián)合支護(hù)才能夠達(dá)到一定的協(xié)同效應(yīng)，控制巷道頂?shù)装遄冃蔚膮f(xié)同作用效果明顯。雖然繼續(xù)增加錨索預(yù)緊力有減少頂?shù)装遄冃蔚内厔?，但一方面效果不顯著，另一方面會使錨索超前錨桿承受載荷，導(dǎo)致協(xié)同效應(yīng)的弱化，甚至由于錨索延伸率小的特性而被拉斷。

（3）在巷道兩幫位移變化曲線中，隨著錨索預(yù)緊力的增加，兩幫位移變化呈線性遞減，錨索預(yù)緊力越大越好。但是考慮到實際情況，要想達(dá)到更高的預(yù)緊力，需要一定配套的工藝設(shè)備，因此，錨索預(yù)緊力的施加要綜合考慮。

圖3 錨索預(yù)緊力、錨索長度和錨固長度系數(shù)與巷道圍巖位移關(guān)系圖

3.3 錨索長度對圍巖變形的影響規(guī)律分析

錨索不同長度與巷道位移變化的關(guān)系曲線見圖3（c）、（d），可以看出錨索長度對巷道頂?shù)装遄冃蔚挠绊懸?guī)律與對巷道兩幫變形的影響規(guī)律截然相反。隨著錨索長度的增長，巷道頂?shù)装遄冃沃饾u增加，而巷道兩幫變形卻逐漸減小。原因在于錨索支護(hù)在巷道頂板發(fā)揮的作用主要是懸吊作用，只有錨索長度超過巷道的冒落拱高度一定距離，即保證錨索錨固段伸入到深度穩(wěn)定的巖層中，錨索的懸吊作用才會發(fā)揮。結(jié)合《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中給出巷道冒落拱高度的公式，估算此巷道冒落拱高度為3.0～4.0 m，可以判斷正交試驗?zāi)Ｐ椭绣^索錨固段都已經(jīng)伸入到深度穩(wěn)定的巖層中。當(dāng)錨固長度一定時，錨索長度越長，則錨索自由段長度就越長，在錨索延伸率一定的情況下，錨索的伸長量就越大，圍巖的頂?shù)装迨諗苛恳簿驮酱?。?dāng)錨索自由段長度增長到一定數(shù)值時，錨索長度對頂?shù)装逦灰频挠绊懗潭染蜁档?，主要是因為錨索錨固段的圍巖已基本處于原巖應(yīng)力，圍巖變形很小，即使再增加錨索長度，對錨索的延伸量也沒多大影響，錨索長度在6.0～7.0 m時對巷道頂?shù)装遄冃斡绊懸笥?.0～8.0 m的情況。由于巷道底板沒有施加錨桿和錨索支護(hù)，底板變形差異不大，頂?shù)装遄冃蔚囊?guī)律等價于頂板變形規(guī)律。因此，當(dāng)錨索錨固段已伸入頂板深部的穩(wěn)定巖層時，過度增加錨索長度反而對支護(hù)效果不利。

巷道兩幫圍巖的穩(wěn)定性規(guī)律和頂板不同，錨索支護(hù)在兩幫處主要是控制圍巖的剪脹變形而在頂板處主要是起到懸吊作用。兩幫處的圍巖變形比頂?shù)装逡?，且達(dá)到原巖應(yīng)力區(qū)的深度也要比頂?shù)装逡獪\，錨索長度很容易進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)，此時，隨著錨索長度增加，錨索自由段長度越長，而錨索預(yù)緊力主要施加在自由段上，錨索預(yù)緊力的作用范圍就大，兩幫圍巖的剪脹變形就越小。綜上所述，錨索長度的確定關(guān)鍵取決于控制圍巖的哪一部分變形，同時也要考慮支護(hù)成本和施工難易，合理選擇錨索長度。

3.4 錨索錨固長度對圍巖變形的影響規(guī)律分析

從上面分析可以看出，錨索長度對圍巖位移變化的影響呈 “負(fù)相關(guān)”的關(guān)系，而錨索錨固長度對圍巖位移變化的影響是其側(cè)面描述，必然也是呈“負(fù)相關(guān)”的關(guān)系。這從錨固長度系數(shù)與巷道頂?shù)装逦灰脐P(guān)系圖可以得到證實，見圖3（e）、（f）。隨著錨索錨固長度的增加，巷道頂?shù)装逦灰浦饾u減小，兩幫位移逐漸增大。因此，在確定錨索錨固長度時，要同時結(jié)合錨索長度這一參數(shù)，全面考慮。結(jié)合本文模擬結(jié)果，當(dāng)錨索長度在6.0～7.0 m，錨固長度系數(shù)在0.3～0.4時，錨索支護(hù)能較好地抑制巷道圍巖頂?shù)装宓淖冃?；?dāng)錨索長度在7.0～8.0 m，錨固長度系數(shù)在0.2～0.3時，錨索支護(hù)能較好地抑制巷道圍巖兩幫的變形。

4 結(jié)論

（1）錨桿—錨索協(xié)同支護(hù)是以預(yù)緊力錨桿支護(hù)作為先期的柔性支護(hù)來加固巷道周圍淺部圍巖，待圍巖變形達(dá)到一定程度，施加預(yù)緊力錨索支護(hù)，通過錨索的協(xié)同配合作用，一方面，在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高圍巖的強度；另一方面，錨索的懸吊作用可以將淺部松動破壞的圍巖懸吊于深部穩(wěn)定的巖層中，防止圍巖冒落。

（2）影響圍巖頂?shù)装?、兩幫變形的主要因素都是錨索預(yù)緊力的大小，錨索預(yù)緊力的大小對巷道變形的影響最為顯著，因此，在實際支護(hù)時應(yīng)重點考慮。

（3）錨桿預(yù)緊力須和錨索預(yù)緊力協(xié)同配合，共同控制圍巖的變形。數(shù)值模擬表明，預(yù)緊力為20 k N的錨桿和預(yù)緊力為100 k N的錨索在巷道頂?shù)装遄冃慰刂浦心苓_(dá)到很好的協(xié)同配合作用。

（4）巷道圍巖頂?shù)装搴蛢蓭偷膰鷰r穩(wěn)定性控制機理不同，需要采取的支護(hù)理念和支護(hù)參數(shù)也不同。

（5）錨索錨固長度對圍巖位移變化的影響規(guī)律是錨索長度對圍巖位移變化影響規(guī)律的側(cè)面描述，它們之間呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，因此，在確定錨索錨固長度時，要同時結(jié)合錨索長度這一參數(shù)，全面考慮。

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