隧道圍巖錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析

鄭瑞永

（中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000）

隧道圍巖錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析

鄭瑞永

（中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000）

隧道圍巖錨桿支護(hù)參數(shù)的選取是支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，是關(guān)系到錨桿支護(hù)是否安全可靠的重要問(wèn)題。下文結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)隧道IV級(jí)圍巖段的錨桿支護(hù)進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，對(duì)錨桿長(zhǎng)度及錨桿環(huán)向間距進(jìn)行優(yōu)化分析，得出適合本工程項(xiàng)目的錨桿長(zhǎng)度及環(huán)向間距值。

隧道；圍巖；錨桿支護(hù)；環(huán)向間距

1 工程概況

大峽隧道兩側(cè)山坡均十分陡峭，隧址區(qū)屬侵蝕構(gòu)造中高山，海拔較高，地勢(shì)起伏較大，在大峽隧道洞身段左線ZK85+071～ZK85+658，右線YK85+039～YK85+69段圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，埋深為23.0～173.0m。隧道結(jié)構(gòu)按照新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌。初期支護(hù)由噴射混凝土、錨桿、格柵拱架和鋼筋網(wǎng)組成。錨桿參數(shù)為φ22砂漿錨桿，長(zhǎng)度3.0m，間距1.0m；初噴采用C25噴射混凝土，厚度18cm；拱架采用H12格柵拱架，間距1.0m；隧道二次襯砌采用C30整體式現(xiàn)澆素混凝土，厚度40cm，采用上下臺(tái)階法開挖。

2 計(jì)算模型

本次模擬選取左線ZK85+550斷面作為Ⅳ級(jí)圍巖標(biāo)準(zhǔn)斷面，隧道埋深約為90m。隧道開挖洞徑B=11.7m，洞高H=9.7m。本次二維隧道模型［1］左右邊界取45m，隧道底部計(jì)算邊界也取45m，拱頂距地表取90m，具體模型如圖1所示：

圖1 二維模型網(wǎng)格劃分

2.1 單元類型

隧道結(jié)構(gòu)模擬要選用合適的單元，提高計(jì)算精度，使模型更接近工程實(shí)際。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了三種計(jì)算單元：圍巖采用平面實(shí)體單元PLANE42模擬；初支噴射混凝土采用梁?jiǎn)卧狟EAM3；錨桿采用桿單元LINK1模擬。

2.2 本構(gòu)模型

圍巖可作為勻質(zhì)、各向同性和連續(xù)的彈塑性介質(zhì)來(lái)計(jì)算，在模型中，巖體材料假設(shè)為均質(zhì)各向同性，不考慮地下水的影響。開挖過(guò)程考慮圍巖的塑性變形，采用Drucker—Prager模型，而其他結(jié)構(gòu)僅考慮其彈性工作，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

2.3 邊界條件

模型側(cè)面和底面為位移邊界，兩側(cè)的位移邊界條件只約束水平移動(dòng)，底部位移邊界只約束其豎直移動(dòng)，地表作為模型上邊界，為自由邊界。

2.4 圍巖和材料參數(shù)

數(shù)值模擬需要的參數(shù)主要是圍巖的物理力學(xué)參數(shù)、噴射混凝土的力學(xué)參數(shù)以及錨桿的物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)工程地勘報(bào)告，參數(shù)如下表1所示：

表1 圍巖與初支的物理力學(xué)參數(shù)

3 隧道開挖模擬

隧道開挖模擬計(jì)算基于以下假定：（1）圍巖的變形為各向同性；（2）對(duì)圍巖的地應(yīng)力計(jì)算，一般只考慮圍巖的自重應(yīng)力，而不考慮圍巖中水壓力和其他構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響；（3）隧道支護(hù)只施作初期支護(hù)，初期支護(hù)只考慮錨桿和噴射混凝土的共同作用。第一步，在隧道開挖之前，將所有單元賦予圍巖單元類型及材料參數(shù)，進(jìn)行初始地應(yīng)力計(jì)算，得到自重場(chǎng)下的計(jì)算結(jié)果；第二步，將隧道斷面土體單元?dú)⑺?，模擬隧道開挖，進(jìn)行一次計(jì)算，得到開挖后的計(jì)算結(jié)果；第三步，將隧道內(nèi)一圈襯砌單元激活，并賦予襯砌的材料參數(shù)，再進(jìn)行一次計(jì)算，得到施加初襯后的計(jì)算結(jié)果。至此，隧道開挖過(guò)程模擬完畢。

4 Ⅳ級(jí)圍巖錨桿參數(shù)工況選擇

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2004）中采用工程類比法，給出了Ⅳ級(jí)圍巖隧道復(fù)合襯砌初期支護(hù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)（見表2）根據(jù)規(guī)范給出的錨桿參數(shù)，本次模擬計(jì)算選取錨桿間距分為0.8m、1.0m和1.2m三種；錨桿長(zhǎng)度分為2.0m、2.5m、3.0m、3.5m和4.0m五種。接下來(lái)對(duì)不同錨桿長(zhǎng)度和錨桿間距模擬結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比［2］。

表2 兩車道隧道復(fù)合襯砌初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

5 錨桿長(zhǎng)度優(yōu)化分析

5.1 拱頂沉降位移

拱頂沉降直接反應(yīng)出了拱頂圍巖穩(wěn)定性，從拱頂沉降對(duì)比可看出錨桿對(duì)拱頂圍巖支護(hù)效果。本次研究表明：錨桿長(zhǎng)度對(duì)拱頂沉降有一定影響，錨桿越長(zhǎng)，拱頂沉降越小。錨桿長(zhǎng)度從2.0m到2.5m時(shí)，拱頂沉降變化較大；長(zhǎng)度從2.5m到3.0m時(shí)，拱頂沉降變化較?。婚L(zhǎng)度從3.0m到4.0m時(shí)，拱頂沉降又發(fā)生小幅度的減小，說(shuō)明錨桿長(zhǎng)度對(duì)拱頂圍巖的變形有一定的影響。

5.2 拱腰水平收斂位移

拱腰水平收斂位移反應(yīng)了邊墻圍巖的穩(wěn)定性，從拱腰水平收斂位移對(duì)比可以看出錨桿對(duì)邊墻圍巖的支護(hù)效果。研究表明：錨桿長(zhǎng)度對(duì)拱腰收斂位移有一定影響，錨桿越長(zhǎng)，拱腰收斂位移越小。錨桿長(zhǎng)度從2.0m到2.5m時(shí)，拱腰收斂位移變化較大；長(zhǎng)度從2.5m到4.0m時(shí)，拱腰收斂位移變化較小。

5.3 錨桿軸力

本次研究表明：拱頂處錨桿軸力最大，邊墻錨桿軸力逐漸減小，到拱腳處錨桿又突然增大，這是由于圍巖在拱腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中的原因。錨桿長(zhǎng)度從2.0m到2.5m，錨桿軸力減小幅度較大；從2.5m到4.0m，錨桿最大軸力值變化曲線平緩，說(shuō)明錨桿最大軸力值變化較小。綜合上述，錨桿長(zhǎng)度在2.0m～4.0m范圍內(nèi)變化，引起的圍巖拱頂沉降位移、拱腰水平收斂位移、錨桿軸力的變化很小。綜合考慮這些因素，錨桿長(zhǎng)度建議取2.5m～3.0m，對(duì)于本隧道錨桿長(zhǎng)度可以取2.5m。

6 錨桿環(huán)向間距優(yōu)化分析

不同環(huán)向間距布置錨桿引起的錨桿應(yīng)力變化，本次研究表明：隨著錨桿間距增大，錨桿最大軸力逐漸減小；間距從0.8m增加到1.0m，錨桿最大軸力變化較小，基本沒變化；間距從1.0m增加到1.2m，錨桿最大軸力有小幅度減小。可見，考慮圍巖位移變化、錨桿軸力等因素，建議大峽隧道在Ⅳ級(jí)圍巖段錨桿間距取1.0m。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上，綜合考慮圍巖拱頂沉降位移、拱腰水平收斂位移、錨桿軸力等因素，錨桿長(zhǎng)度取2.5m；錨桿間距對(duì)控制圍巖位移作用不明顯，但考慮到錨桿軸力在0.8～1.0間距之間變化最小，為節(jié)約成本，建議在Ⅳ級(jí)圍巖段錨桿環(huán)向間距取1.0m。

［1］張慧玲.高速鐵路超大斷面隧道支護(hù)參數(shù)研究［J］.四川建筑，2010（03）：182-183.

［2］蘇麗娟.高速鐵路隧道圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.北京：北京交通大學(xué)，2011.

Tunnel rock bolting parameters optimization analysis

Zheng Rui-yong
（China railway 19TH bureau group 2nd co.，LTD，Liaoyang Liaoning 111000）

Choose tunnel rock bolting parameters is a key factor supporting structure design is an important issue related to whether bolting safe and reliable.Below in conjunction with engineering practice，for bolting grade IV rock section of tunnel for data simulation，bolt length and bolt spacing ring to optimize the analysis，obtained for the Project anchor length and the ring spacing value.

Tunnel；surrounding rock；bolting；spacing ring

U455

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.04.010

1672-7304（2015）04-0020-02

（責(zé)任編輯：黃 密）

鄭瑞永（1973-），男，遼寧丹東人，研究方向：橋梁及隧道。