錨桿支護主動承載層構(gòu)建及其影響參數(shù)分析

李源河，孫 毅，張 浩，王正水

（浙江省隧道工程集團有限公司，浙江 杭州 310030）

1 問題的提出

隧洞等相關(guān)工程在開挖存在片麻巖等軟弱圍巖的地段過程中，由于軟弱圍巖存在復(fù)雜的節(jié)理、裂隙，會在自身內(nèi)部形成節(jié)理、裂隙擴展貫通區(qū)，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)承載能力差，無法形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致隧洞等工程的失穩(wěn)破壞。提高軟弱圍巖承載力成為軟巖變形破壞亟待解決的問題，針對高應(yīng)力軟巖巷道過斷層破碎變形破壞的問題，近年來許多學(xué)者進(jìn)行相關(guān)的研究。任超[1]采用注、架、充、錨、噴聯(lián)合支護技術(shù)，構(gòu)建高強度、高剛度的主動承載結(jié)構(gòu)，成功地維護了巷道的穩(wěn)定；孫曉成等[2]提出適用于深井軟巖的“緩釋、阻斷和增強”新型支護技術(shù)，提高圍巖主動承載的效果并形成圍巖 — 支護結(jié)構(gòu)協(xié)同承載體系，從而有效控制深部軟巖巷道的大變形；趙光明等[3]通過對“圍巖 — 支護”力學(xué)承載結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合工程實踐得出設(shè)計的“錨網(wǎng)噴注”支護方案能夠提高圍巖強度、降低軟巖巷道變形量，保證掘巷初期的穩(wěn)定性；張益東等[4]基于錨桿與巷道圍巖相互作用以及錨桿對圍巖的強化作用理論分析，得出影響錨桿對巷道表面圍巖強化效果的影響因素，為錨桿支護參數(shù)的確定提供一種簡單、實用的設(shè)計方法；彭瑞等[5]分析“面效應(yīng)、時間效應(yīng)”對圍巖力學(xué)承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，提出“短錨桿全長注漿 — 端頭錨注 — 短錨索”梯次支護方法，確定了合理的錨注有效范圍并維持圍巖承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；文競舟等[6]通過力學(xué)承載機制分析以及力學(xué)模型建立，求出聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)的承載力與圍巖變形的相關(guān)解析式，實踐應(yīng)用得出鋼架和噴層組成的內(nèi)層支護拱在軟弱破碎圍巖中起主要承載作用。

針對甘肅省引洮供水二期工程主體工程施工第7 標(biāo)段1#隧洞在開挖片麻巖地段時，圍巖裂隙發(fā)育，松散破碎，承載能力差，無法形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)的問題，通過對主動承載層承載機理分析，提出通過錨桿支護構(gòu)建主動承載層來提高圍巖承載能力，文章采用承載系數(shù)量化承載能力，對承載系數(shù)進(jìn)行劃分，結(jié)合數(shù)值模擬分析錨桿支護參數(shù)對主動承載層構(gòu)建的影響。

2 工程背景

甘肅省引洮供水二期工程主體工程施工第7 標(biāo)段1#隧洞的施工，隧洞圍巖為軟弱破碎的片麻巖，在隧洞開掘完畢后，由于圍巖裂隙發(fā)育、松軟破碎，經(jīng)過地壓及地下水的作用，隧洞圍巖表面會形成一層破碎區(qū)（見圖1），區(qū)域內(nèi)承載能力差。裂隙轉(zhuǎn)移至深部后，發(fā)育程度降低，在破碎區(qū)內(nèi)部形成一層裂隙發(fā)育區(qū)，但圍巖整體性完好，巖層結(jié)構(gòu)破壞不多，有一定的承載能力；深部原巖區(qū)受掘進(jìn)影響不大，圍巖結(jié)構(gòu)與原巖幾乎一致，承載能力高，完整性好。根據(jù)以上分析，通過一定的加固支護構(gòu)件來提高破碎區(qū)和裂隙發(fā)育區(qū)圍巖完整程度，形成其圍巖的主動承載結(jié)構(gòu)，是控制隧洞圍巖穩(wěn)定性的有效技術(shù)。

圖1 隧洞圍巖變形破壞圖

3 主動承載層承載機理分析

錨桿支護的實質(zhì)是把錨桿和錨固區(qū)域的巖體相互作用而組成錨固體，形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)。當(dāng)其預(yù)緊力達(dá)到一定程度時，能在圍巖中形成主動承載層，改善錨固體的力學(xué)性能，使錨固區(qū)內(nèi)圍巖壓力增加，減小隧洞表面變形與破壞，約束巖體的位移和破裂區(qū)的不斷增加，提高錨固巖層的殘余承載能力，從而有效地控制圍巖的變形。

對于錨桿支護，錨桿間排距、預(yù)緊力是主動承載層構(gòu)建以及發(fā)揮承載作用的關(guān)鍵，當(dāng)錨桿沒有預(yù)緊力時，頂板從淺部向深部逐漸離層、破壞，失去完整性與穩(wěn)定性，無法形成主動承載層；當(dāng)錨桿預(yù)緊力較小、錨桿間排距過大時，有效壓應(yīng)力區(qū)范圍小，孤立分布，難以形成有效的主動承載層，幾乎沒有加固圍巖的作用；當(dāng)錨桿間排距過小時，錨桿形成的有效應(yīng)力大，彼此連接構(gòu)成統(tǒng)一的整體，利于保持主動承載層和隧洞的穩(wěn)定性，但經(jīng)濟成本較大?，F(xiàn)場實踐中，錨桿長度、直徑等因素也會對錨桿支護主動承載層構(gòu)建產(chǎn)生影響。錨桿長度較小時，有效應(yīng)力區(qū)小，錨桿間有效應(yīng)力區(qū)不重疊，無法構(gòu)建主動承載層；錨桿長度過大時，對于提高主動承載層效果已不明顯，也會增加經(jīng)濟成本。錨桿直徑較小時，錨桿錨固力小，有效應(yīng)力區(qū)孤立分布，無法形成主動承載層，錨桿直徑較大，能夠構(gòu)建主動承載層但施工難度以及成本增加。

由以上分析可知合理的錨桿間排距、預(yù)緊力是構(gòu)建主動承載層維護圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。選用合理的錨桿支護參數(shù)能夠使各巖層形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)，改善力學(xué)性能，進(jìn)而改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖的承載性能，減少隧洞圍巖破碎區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)的范圍和表面位移，保持主動承載層和隧洞的穩(wěn)定性。因此需要根據(jù)實際情況分析設(shè)計合理的錨桿支護參數(shù)。

4 主動承載層構(gòu)建與影響參數(shù)分析

以片麻巖水工隧洞地質(zhì)條件構(gòu)建了數(shù)值計算模型，模擬研究在不同錨桿布置參數(shù)方案下的主動承載層構(gòu)建情況，依據(jù)主動承載層的厚度，應(yīng)力大小等因素進(jìn)行主動承載層承載系數(shù)劃分，利用控制變量法對不同地應(yīng)力條件進(jìn)行主動承載層承載系數(shù)適配優(yōu)選。

根據(jù)經(jīng)驗類比法確定組合拱厚度為1.20 m，設(shè)計中使用直徑22 mm，長度2.00 m 的錨桿，在后續(xù)的主動承載層構(gòu)建中不再把錨桿的長度和直徑作為變量考慮。為構(gòu)建不同承載系數(shù)的主動承載層，依據(jù)錨桿布置的間排距和預(yù)緊力不同提出多種構(gòu)建方案，在不施加地應(yīng)力的條件下，采用控制變量法對構(gòu)建效果進(jìn)行研究，研究方案見表1。

表1 主動承載層構(gòu)建主要影響因素研究方案表

方案1 ～ 3研究不同排距布置下主動承載層的構(gòu)建情況，方案4 ～ 6 研究不同間距布置下主動承載層的構(gòu)建情況，方案7 ～ 9 研究不同錨桿預(yù)緊力下主動承載層的構(gòu)建情況。方案1 ～ 6 模擬方案中對錨桿施加250 N·m 的預(yù)緊力避免預(yù)緊力對構(gòu)建效果的影響。

采用FLAC3D建立模型，模型總厚度20.00 m。模型兩側(cè)邊界及前后邊界均施加水平位移約束，底部邊界施加垂直位移約束，上部邊界施加均布載荷，模型上部施加2.5 MPa 的均布載荷，模擬上覆巖層自重，片麻巖力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 片麻巖力學(xué)參數(shù)表

4.1 排距對主動承載層構(gòu)建的影響

模擬不同錨桿排距下主動承載層應(yīng)力變化，得到不同錨桿排距下主動承載層應(yīng)力云圖（見圖2）。由圖2 可知：

（1）同一排錨桿的有效應(yīng)力區(qū)均可以相互作用，而相鄰兩排錨桿的有效壓應(yīng)力區(qū)隨著排距不同有所不同，排距為1 500 mm 時，兩排錨桿之間的有效應(yīng)力區(qū)未連接，預(yù)應(yīng)力擴散范圍小，錨桿不能有效支護隧洞軸向兩排錨桿之間的圍巖，不能構(gòu)建主動承載層；排距為500 mm 和1 000 mm 時，兩排錨桿之間的有效應(yīng)力區(qū)連接，且預(yù)應(yīng)力擴散范圍隨著錨桿排距減小而增加，可以構(gòu)建主動承載層且效果隨錨桿排距減小而更好。

（2）隨著錨桿排距的減小，有利于構(gòu)建分布范圍大，承載等級高的主動承載層。同等條件下，500 mm 錨桿排距可用于構(gòu)建高承載系數(shù)主動承載層，1 000 mm 錨桿排距可用于構(gòu)建中等承載系數(shù)主動承載層。

圖2 不同錨桿排距下主動承載層應(yīng)力云圖

4.2 間距對主動承載層構(gòu)建的影響

模擬不同錨桿間距下主動承載層應(yīng)力變化，得到不同錨桿排距下主動承載層應(yīng)力云圖（見圖3）。由圖3 可知：

（1）在隧洞寬度一定的情況下，隨著錨桿間距的減少，錨桿的數(shù)量在增加，錨桿在圍巖中形成的應(yīng)力場也不斷變化。單根錨桿周圍形成了類似錐形的壓應(yīng)力分布，壓應(yīng)力在錨桿尾部附近最大，錨固起始處附近次之，錨桿自由部中間段較小，錨桿端部處于零應(yīng)力或較小的壓應(yīng)力狀態(tài)。

（2）當(dāng)使用錨桿數(shù)量為9 根時，單根錨桿形成的錐形壓力區(qū)不能形成整體支護結(jié)構(gòu)；隨著錨桿數(shù)量的增加，在錨桿數(shù)量為11 根時錐形壓力區(qū)相互靠近連為一體，形成主動承載層，承載層厚度為2.00 m，最大壓應(yīng)力為0.64 MPa，承載系數(shù)為25.6%；當(dāng)錨桿數(shù)繼續(xù)增加至13 根時，形成的主動承載層厚度為2.20 m，最大壓應(yīng)力為0.72 MPa，承載系數(shù)為28.8%。

（3）錨桿排拒的減小，有利于構(gòu)建分布范圍大，承載等級高的主動承載層。同等條件下，錨桿數(shù)為13 根可用于構(gòu)建高承載系數(shù)主動承載層，錨桿數(shù)為11 根可用于構(gòu)建中等承載系數(shù)主動承載層。錨桿間距減小到一定程度時，主動承載層的厚度基本不變，壓應(yīng)力提升較小。

圖3 不同錨桿間距下主動承載層應(yīng)力云圖

4.3 預(yù)緊力對主動承載層構(gòu)建的影響

4.3.1 預(yù)緊力對布置9 根錨桿的隧洞承載層構(gòu)建影響

模擬不同預(yù)緊力下布置9 根錨桿時主動承載層應(yīng)力變化，得到不同預(yù)緊力下布置9 根錨桿時主動承載層應(yīng)力云圖（見圖4）。由圖4 可知，在對錨桿施加不同預(yù)應(yīng)力的情況下，單根錨桿周圍形成的壓應(yīng)力分布也不同。當(dāng)錨桿預(yù)緊力分別為150，200，250 N·m 時，單根錨桿形成的壓力區(qū)最大值分別為0.29，0.49，0.50 MPa；由于使用錨桿數(shù)量較少，錨桿間距較大，即使在預(yù)緊力為250 N·m 時，也無法在隧洞周邊圍巖中產(chǎn)生主動承載層。綜上，較大的預(yù)緊力有助于提升錨桿產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力承載系數(shù)。

圖4 不同預(yù)緊力下布置9 根錨桿時主動承載層應(yīng)力云圖

4.3.2 預(yù)緊力對布置11 根錨桿的隧洞承載層構(gòu)建影響

模擬不同預(yù)緊力下布置11 根錨桿時主動承載層應(yīng)力變化，得到不同預(yù)緊力下布置11 根錨桿時主動承載層應(yīng)力云圖（見圖5）。由圖5 可知，當(dāng)布置11 根錨桿時，在不同預(yù)緊力作用下都能產(chǎn)生主動承載層。當(dāng)錨桿預(yù)緊力分別為150，200，250 N·m 時，單根錨桿形成的錐形壓力區(qū)相互靠近連為一體，形成主動承載層，承載層厚度分別為1.8，2.0，2.0 m；最大壓應(yīng)力分別為0.31，0.52，0.64 MPa；承載系數(shù)分別為12.4%，20.8%，25.6%；因此，當(dāng)布置錨桿數(shù)量為11根時，錨桿預(yù)緊力增加到一定程度時，主動承載層的厚度基本不變，壓應(yīng)力提升較小，并且會增加工人勞動量。綜上，同等條件下，錨桿數(shù)為11 根時，預(yù)緊力250 N·m 可用于構(gòu)建高承載系數(shù)主動承載層，預(yù)緊力200 N·m 可用于構(gòu)建中等承載系數(shù)主動承載層，150 N·m 可用于構(gòu)建低承載系數(shù)主動承載層。

圖5 不同預(yù)緊力下布置11 根錨桿時主動承載層應(yīng)力云圖

4.3.3 預(yù)緊力對布置13 根錨桿的隧洞承載層構(gòu)建影響

模擬不同預(yù)緊力下布置13 根錨桿時主動承載層應(yīng)力變化，得到不同預(yù)緊力下布置13 根錨桿時主動承載層應(yīng)力云圖（見圖6）。由圖6 可知，當(dāng)布置13 根錨桿時，在不同預(yù)緊力作用下都能產(chǎn)生主動承載層。當(dāng)錨桿預(yù)緊力分別為150，200，250 N·m 時，單根錨桿形成的錐形壓力區(qū)相互靠近連為一體，形成主動承載層，承載層厚度分別為為1.80，2.00，2.20 m；最大壓應(yīng)力分別為0.41，0.57，0.72 MPa；承載系數(shù)分別為16.4%，22.8%，28.8%。因此，當(dāng)布置錨桿數(shù)量為13 根時，錨桿預(yù)緊力增加到一定程度時，主動承載層的厚度基本不變，可以大幅度提升主動承載層中的預(yù)應(yīng)力大小，但是會增加工人勞動量。綜上，同等條件下錨桿數(shù)為13 根時，預(yù)緊力250 N·m 可用于構(gòu)建高承載系數(shù)主動承載層，預(yù)緊力200 N·m 可用于構(gòu)建中等承載系數(shù)主動承載層，150 N·m 可用于構(gòu)建低承載系數(shù)主動承載層。

圖6 不同預(yù)緊力下布置13 根錨桿時主動承載層應(yīng)力云圖

4.4 承載系數(shù)劃分

在方案中用承載系數(shù)量化主動承載層的承載能力，承載系數(shù)為主動承載層內(nèi)應(yīng)力與原巖應(yīng)力的百分比。由以上分析可知，錨桿間排距布置和施加在錨桿上的預(yù)緊力是在片麻巖水工隧洞中構(gòu)建主動承載層的關(guān)鍵因素。依據(jù)形成的主動承載層厚度和應(yīng)力大小對主動承載層進(jìn)行承載系數(shù)劃分并提出劃分準(zhǔn)則。表3 為主動承載層各承載系數(shù)參數(shù)劃分表，由于1 500 mm 排距、9 根錨桿情況下無法形成有效連續(xù)的壓應(yīng)力區(qū)域，不能用于構(gòu)建主動承載層，因此在主動承載層等級劃分中不考慮。錨桿排距為500 mm 時主動承載層構(gòu)建效果最好，但間距過小，在現(xiàn)場中會減慢施工進(jìn)度，因此也不在主動承載層承載系數(shù)劃分中考慮。

表3 主動承載層各承載系數(shù)參數(shù)劃分表

5 結(jié) 論

（1）提出錨桿主動承載層控制片麻巖隧洞圍巖變形，主動承載層控制技術(shù)發(fā)揮了錨桿主動支護的作用，在高預(yù)緊力和合理間排距布置作用下形成連續(xù)有效的壓應(yīng)力區(qū)域，在有限讓壓后仍能保證支護結(jié)構(gòu)的完整性，有效維護隧洞圍巖的穩(wěn)定。

（2）從錨桿間距、排距以及預(yù)緊力對主動承載層構(gòu)建效果進(jìn)行分析，排距為1 000 mm 和500 mm 時，能構(gòu)建連續(xù)的主動承載層；錨桿數(shù)量為11 根和13 根時，能形成主動承載層；錨桿數(shù)量為11 根和13 根時，150，200，250 N·m預(yù)緊力可形成不同承載系數(shù)的主動承載層。

（3）對主動承載層進(jìn)行承載系數(shù)劃分，高、中等以及低承載系數(shù)主動承載層的承載系數(shù)范圍分別為≥25%，18% ～ 25%，≤18%。高、中等以及低承載系數(shù)主動承載層對應(yīng)錨桿支護參數(shù)分別為：排距1 000 mm，錨桿13 根，預(yù)緊力250 N·m；排距1 000 mm，錨桿11 根，預(yù)緊力200 N·m；排距1 000 mm，錨桿11 根，預(yù)緊力150 N·m。