隧道掌子面超前錨桿連續(xù)交替式布設方案研究*

鄭 超 吳學震 鄧 濤 關(guān)振長 楊黎宏

(①福州大學土木工程學院，福州 350116，中國)

(②福建路橋建設有限公司，福州 350002，中國)

0 引 言

軟弱圍巖隧道開挖后，圍巖自穩(wěn)性差，如若施工不當，極易引發(fā)大變形災害。因而，如何確保軟弱圍巖隧道的施工安全一直是工程界研究的熱點問題(范新宇等，2019；黃維新等，2019；李天斌等，2019；周亞東等，2019)。掌子面穩(wěn)定是隧道安全施工的基本前提，然而在軟弱圍巖隧道中掌子面不穩(wěn)定問題十分常見。掌子面不穩(wěn)定問題輕則表現(xiàn)為掌子面圍巖局部松動掉塊，重則進一步引發(fā)側(cè)壁圍巖變形和拱頂坍塌(劉大剛等，2018)。目前，控制掌子面變形的主要技術(shù)手段包括：預留核心土、掌子面噴射混凝土、掌子面錨桿等(關(guān)寶樹，2011；李鵬飛等，2014)。預留核心土是較為常用的方案，然而對施工組織影響較大，會顯著降低施工速度；掌子面噴射混凝土雖便于施工，但掌子面天然形態(tài)導致噴射形成的混凝土層找不到有效持力點，尤其在大斷面隧道的情況下，掌子面噴射混凝土方案支護效果有限。相較之下，掌子面超前錨桿不僅能夠深入巖體內(nèi)部，為掌子面提供強有力的支護效果，而且不占用施工空間。同時，桿體可采用高強且易于切削的玻璃鋼纖維(王洋等，2018)，方便機械化施工，具有十分廣闊的應用前景。

國內(nèi)外許多學者針對隧道掌子面超前錨桿的支護效果展開了理論和現(xiàn)場試驗研究。Dias(2011)為了探究掌子面超前錨桿的支護作用機理，在特定的掌子面破壞模式下，分析了錨桿的拉應力、切應力以及彎矩對于掌子面穩(wěn)定性的影響。Date et al.(2009)通過離心試驗對掌子面錨桿在淺埋砂層隧道中的支護作用效果進行分析，結(jié)果表明掌子面錨桿可以有效地降低掌子面應力釋放。Kyoungwon et al.(2006)為使得掌子面錨桿的支護效果得到充分發(fā)揮，對其安裝角度進行了研究。朱浩波(2015)采用竹條模擬掌子面錨桿，對隧道開挖過程中掌子面錨桿的支護過程進行室內(nèi)試驗研究，結(jié)果表明掌子面錨桿可以明顯地提升掌子面及其前方地層的圍巖強度。洪開榮等(2014)采用數(shù)值模擬的方式對掌子面錨桿的支護效果進行研究，結(jié)果表明掌子面錨桿在控制隧道先行變形以及掌子面擠出變形方面均有效果。李斌(2014)以雅滬高速公路石棉隧道為工程背景，對地震作用下隧道掌子面錨桿的支護效果進行數(shù)值模擬研究，認為掌子面錨桿能夠增強掌子面的抗地震性能。祁寶貴(2019)以銀瓶山軟巖隧道為工程背景，通過數(shù)值模擬研究超前錨桿結(jié)合掌子面錨桿的支護方案對于軟巖隧道大變形的控制作用，并應用于現(xiàn)場實踐取得了良好的支護效果。劉誠等(2016)對野豬山隧道右線出口段掌子面錨桿的應用效果進行評價，認為掌子面錨桿可以有效地控制圍巖變形，保持隧道穩(wěn)定。展宏躍(2017)針對重載鐵路隧道穿越富水砂層時掌子面難以穩(wěn)定的問題，采用掌子面錨桿有效控制了掌子面失穩(wěn)風險。

然而，現(xiàn)階段針對于掌子面錨桿布設方案的研究甚少，不論是在理論或是現(xiàn)場實踐研究中所采用的掌子面錨桿布設方案較為單一，其主要布設參數(shù)包括加固密度、支護長度以及搭接長度。該方案在實際應用時，掌子面錨桿會隨著隧道的開挖而不斷被截斷，從而導致錨桿的支護長度逐漸縮短，支護效果越來越差。隧道掌子面狀態(tài)將愈發(fā)危險直至錨桿的支護長度縮短至搭接長度，才能進行新一輪的掌子面錨桿施工，重新補強掌子面，屬于間斷式布設方案。通常為避免該方案中掌子面錨桿支護效果過度弱化，需要保證錨桿具有一定的搭接長度(崔柔柔等，2015；王志杰等，2019)。李斌等(2012)通過研究發(fā)現(xiàn)當掌子面錨桿長度增加至一定值后，繼續(xù)增加對于支護效果的提升程度較少，并將該值確定為搭接長度。如此，為了滿足隧道不斷推進的需求，掌子面錨桿布設長度在設計時需要遠大于搭接長度，必將導致支護的經(jīng)濟效益嚴重下降。因此，隨著掌子面錨桿應用的不斷普及，提出一種能夠在隧道開挖過程中維持掌子面錨桿支護效果穩(wěn)定的布設方案將具有很大的工程實際意義。

本文以渭武高速木寨嶺公路隧道為工程依托，提出一種連續(xù)交替式掌子面錨桿布設方案，有望在不改變常規(guī)方案錨桿用量的前提下，維持掌子面錨桿在隧道開挖過程中支護效果的穩(wěn)定。并進一步結(jié)合數(shù)值模擬，將該方案與常規(guī)錨桿布設方案在支護效果方面進行系統(tǒng)性對比，分析所提出方案的可行性。

1 工程概況

木寨嶺公路隧道是渭武高速的控制性工程，位于甘肅省定西市內(nèi)，橫跨漳縣、岷縣兩縣。隧道采用分離式雙向四車道設計，全長約15ikm，最大埋深約629.1im，設計速度80ikm·h-1。隧道開挖斷面面積約為115im2，最大開挖跨度約為13im，最大開挖高度約為11im。

隧道全線均為Ⅴ級圍巖，地應力高度集中，斷層發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造極為復雜，巖性以軟質(zhì)炭質(zhì)板巖為主，巖體破碎，裂隙密集。現(xiàn)場勘測資料顯示，隧址范圍內(nèi)地應力以水平構(gòu)造應力為主，實測最大水平主應力最大值為18.76iMPa，最小水平主應力最大值為15.64iMPa，側(cè)壓力系數(shù)約為1.4，巖石單軸飽和抗壓強度Rc在20～30iMPa之間。按照《公路隧道設計規(guī)范》(JTGiD70-2004)對地應力等級的劃分標準，隧址范圍內(nèi)Rc/σmax均小于4，屬于極高應力區(qū)?，F(xiàn)場隧道開挖后，圍巖自穩(wěn)時間短，變形速率快，量級大，造成掌子面穩(wěn)定性差、初期支護結(jié)構(gòu)侵限、破壞等一系列施工難題，嚴重影響施工安全及施工效率。圖1為現(xiàn)場開挖揭露的圍巖情況，圖2為現(xiàn)場掌子面圍巖出現(xiàn)的局部滑塌現(xiàn)象。

相鄰的蘭渝鐵路木寨嶺隧道建設和運營過程中也出現(xiàn)了大量問題，對于渭武高速木寨嶺公路隧道建設具有重要的借鑒意義。該隧道施工過程中初期支護變形極大，初期支護失效并反復拆換，二次襯砌裂損嚴重不得不進行大面積重新施作。木寨嶺鐵路隧道襯砌大面積的開裂大部分發(fā)生在襯砌施作后半年左右，局部地段在襯砌施作3年后出現(xiàn)開裂，尤其在嶺脊核心段擴拆長度占比達到52.7%。二次襯砌拆換后，新的初期支護和襯砌混凝土總厚度達1.5im，貫通段混凝土厚度達2.1im，是一般隧道混凝土厚度的3倍，用鋼量是普通隧道的5倍，施工進展極為緩慢，建設成本急劇增加(師亞龍等，2017；馬召林等，2018；葉康慨，2018)。

2 掌子面錨桿布設方案設計

為確保隧道施工的安全進行，針對現(xiàn)場掌子面不穩(wěn)定問題，綜合考慮現(xiàn)場施工條件后，擬采用6im長玻璃鋼纖維錨桿(圖3)對掌子面進行支護。此項技術(shù)在國外的應用已經(jīng)相當成熟，雖然在國內(nèi)的應用尚未普及，但也有相當多的應用實例(Lunardi，2001；李小勇等，2017)，如圖4所示。掌子面錨桿不僅可以將掌子面表層不穩(wěn)定圍巖固定在深部圍巖上，防止掌子面局部圍巖滑塌，而且可以提供垂直于掌子面方向的約束壓力，將掌子面由平面應力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的三向應力狀態(tài)，改善掌子面圍巖的受力形式，是一種十分有效的掌子面支護措施。

考慮到掌子面錨桿在本實例中布設的長度較短，主要發(fā)揮穩(wěn)定掌子面的作用，如若采用常規(guī)的掌子面錨桿布設方案，錨桿的支護效果會隨著開挖的進行很快喪失，雖然提高搭接長度能保證支護效果，但會使得掌子面錨桿支護方案的經(jīng)濟性大幅下降。為解決該問題，本文提出了一種連續(xù)交替式掌子面錨桿布設方案。為對比分析該方案的可行性，在錨桿用量相同的條件下，同時對常規(guī)間斷式錨桿布設方案以及所提出的連續(xù)交替式錨桿布設方案進行設計。

2.1 常規(guī)間斷式布設方案設計

根據(jù)掌子面錨桿常規(guī)間斷式布設方案的設計思路，對擬支護開挖斷面進行掌子面錨桿支護設計。國內(nèi)隧道掌子面錨桿的平面布設方式主要包括梅花形布設以及矩形布設，由于采用梅花形布設可使得錨桿在掌子面上的分布更加均勻，因而受到的工程應用更為廣泛(劉佳楠等，2019；祁寶貴，2019；肖紅武，2019)。鑒于此，本次設計同樣采用梅花形布設。最終確定的支護參數(shù)為，掌子面錨桿采用間距為1.5im×1.5im的全斷面梅花形布設，共布設101根錨桿，布設密度約為0.88根·m-2，圖5為確定的掌子面錨桿布設點位圖。每根錨桿長6im，搭接長度為2im，掌子面錨桿支護狀態(tài)在縱向上的變化如圖6所示。掌子面錨桿用量隨隧道開挖總進尺的變化滿足如下關(guān)系：

(1)

式中：y為掌子面錨桿用量(m)；x為隧道開挖總進尺(m)；a為單根錨桿長度(m·根-1)；b為開挖斷面上錨桿總數(shù)(根)；c為錨桿搭接長度(m)。

2.2 連續(xù)交替式布設方案設計

與常規(guī)間斷式錨桿布設方案每次均在所有的錨桿設計點位上布設錨桿不同，連續(xù)交替式布設方案將掌子面上的所有錨桿設計點位劃分為若干個部分在隧道推進過程中進行連續(xù)逐部分交替布設。劃分數(shù)量取決于隧道單次開挖進尺以及掌子面錨桿長度。確保在每次開挖結(jié)束后，下一輪掌子面錨桿施工點位上的所有錨桿均被挖除。

按照此方案進行掌子面錨桿布設，可以使得掌子面上的錨桿支護數(shù)量以及支護長度總和在隧道開挖的過程中始終維持在穩(wěn)定水平，有望實現(xiàn)掌子面錨桿支護效果的穩(wěn)定。同時該方案也可以將原本需要在一個斷面內(nèi)完成的錨桿布設工程量均分在每個開挖斷面上，更加有利于開挖斷面的穩(wěn)定。

2.2.1 錨桿布設數(shù)量確定

根據(jù)掌子面錨桿連續(xù)交替式布設方案的設計思路，確定出掌子面錨桿用量與隧道開挖總進尺之間的關(guān)系如下：

(2)

式中：y為掌子面錨桿用量(m)；x為隧道開挖總進尺(m)；a為單根錨桿長度(m·根-1)；b為開挖斷面上錨桿總數(shù)(根)；c為隧道單次開挖進尺(m)，按現(xiàn)場實際施工取2im。

為保證兩種方案錨桿的用量在同一水平上，聯(lián)立式(1)與式(2)。通過試算，確定出采用交替錨桿布設方案時，掌子面上的錨桿總數(shù)約為147根，密度約為1.28根·m-2，并由此估算出錨桿布設間距約為1.2im×1.2im。兩種方案錨桿用量對比如圖7。掌子面錨桿總體布設點位如圖8。

2.2.2 錨桿布設點位確定

掌子面錨桿的布設長度為6im，隧道單次開挖進尺為2im，因此需要將圖8所示的掌子面錨桿總體布設點位劃分為3個部分進行連續(xù)交替布設，便能在經(jīng)歷前兩個初始布設斷面后，實現(xiàn)每次開挖結(jié)束，下一輪掌子面錨桿施工點位上的所有錨桿均被挖除。按照此方案布設，在隧道推進過程中，掌子面將始終處于2im、4im、6im這3種不等長錨桿的支護作用下。掌子面錨桿支護狀態(tài)隨隧道開挖變化的縱向示意圖如圖9所示，圖9a、圖9b為前2個初始布設斷面。

雖然此方案中的初始布設斷面較少，但由于初始布設斷面上掌子面錨桿的支護狀態(tài)尚未達到穩(wěn)定階段，支護相對薄弱。在實際應用時，可以根據(jù)超前地質(zhì)預報的結(jié)果，將初始布設斷面設置在相對較為穩(wěn)定的巖層中，消除初始布設斷面的不利影響；也可以在第1個斷面上直接按照穩(wěn)定后的支護狀態(tài)布設不等長錨桿，避免初始布設斷面的出現(xiàn)。

為使得隧道推進過程中每個掌子面上支護的不等長錨桿分布均勻，需要對錨桿布設點位進行合理劃分?？紤]到隧道推進過程中，同一部分錨桿布設點位上的錨桿支護長度相同，則錨桿布設點位的劃分方式需要滿足以下兩個條件：

(1)劃分得到的每部分錨桿布設點位的數(shù)量需相同，即實現(xiàn)均分。如若不同，則在隧道推進過程中，會存在以某種支護長度為主的掌子面錨桿支護狀態(tài)，相應的會出現(xiàn)以最短支護長度為主的支護薄弱斷面。

(2)劃分得到的每部分錨桿布設點位不能扎堆存在同一區(qū)域內(nèi)。若扎堆存在同一區(qū)域，則在隧道推進過程中，會出現(xiàn)在某一區(qū)域內(nèi)錨桿的支護長度均為掌子面上最短的支護狀態(tài)，造成區(qū)域性的支護薄弱，將有可能導致掌子面出現(xiàn)局部的松動掉塊現(xiàn)象。

本方案采用數(shù)字編號的方式對錨桿布設點位進行劃分。將掌子面錨桿總體布設點位圖上的錨桿點位從左至右逐行依次從1～147進行編號，編號為1、4、7……作為第1部分錨桿布設點位，編號為2、5、8……作為第2部分錨桿布設點位，編號為3、6、9……作為第3部分錨桿布設點位。劃分后得到的3部分錨桿布設點位如圖10所示。

將前述確定的連續(xù)交替式錨桿布設方案應用于掌子面支護上，在經(jīng)歷前2個初始布設斷面后，掌子面上的錨桿支護狀態(tài)將在圖11所示的3種錨桿支護狀態(tài)上循環(huán)，直至結(jié)束掌子面錨桿支護。

3 數(shù)值模型及參數(shù)

在確定兩種不同布設方案的具體參數(shù)后，采用有限差分軟件FLAC3D，建立與現(xiàn)場實際相吻合的數(shù)值模型，將掌子面錨桿分別按照常規(guī)間斷式布設方案與連續(xù)交替式布設方案在數(shù)值模型中進行應用。通過系統(tǒng)性對比分析兩種方案產(chǎn)生的支護效果，驗證連續(xù)交替式錨桿布設方案的可行性。

3.1 數(shù)值模型

選取木寨嶺公路隧道K214+008～K214+250軟巖大變形段作為研究對象，該段平均埋深約為520im。模型建立時，為簡化計算，取隧道拱頂與模型頂面間距離為40im，其余埋深影響通過在模型頂面施加自重應力進行考慮。模型中的隧道掌子面尺寸與實際工況相同，最大開挖高度為11im，最大開挖跨度為13im，總開挖面積約115im2。模型四周與隧道間的距離，均取3倍以上洞徑，以避免計算結(jié)果受邊界效應影響，最終建立的模型尺寸為116im×100im×90im。模型網(wǎng)格的劃分，考慮到數(shù)值計算關(guān)注的重點在于掌子面的變形情況，因此對掌子面位置以及進深方向上的網(wǎng)格進行局部加密處理。模型共生成848115個節(jié)點以及868000個網(wǎng)格，如圖12所示。模型四周按照實測地應力賦予應力邊界條件生成符合實際的高地應力場。數(shù)值計算中假定圍巖服從M-C屈服準則。圍巖參數(shù)選取參考木寨嶺公路隧道的相關(guān)文獻(王娜，2017)，如表1所示。

表1 圍巖參數(shù)Table 1 The parameters of surrounding rock

3.2 模型相關(guān)參數(shù)

模擬采用全斷面開挖，單個開挖進尺為2im。初期支護中鋼筋網(wǎng)、鋼拱架的作用以剛度折算的方式，折算入混凝土噴層進行等效考慮，混凝土噴層采用Shell單元進行模擬，徑向錨桿采用Cable單元進行模擬。掌子面錨桿主要考慮其發(fā)揮軸向約束的作用，因此同樣采用Cable單元模擬足以滿足計算精度要求。掌子面錨桿均為全長黏結(jié)錨桿，具體參數(shù)如表2。生成的支護結(jié)構(gòu)模型如圖13。

表2 掌子面錨桿參數(shù)Table 2 The parameters of bolts on tunnel face

數(shù)值計算中不考慮初期支護施作時間的影響，認為單個開挖進尺完成后初期支護立即施作完成。由于掌子面錨桿布設數(shù)量較多，因此數(shù)值計算中為反應現(xiàn)場真實施工情況，通過控制數(shù)值計算步驟等效考慮掌子面錨桿布設的時間效應。當布設錨桿時采用的具體數(shù)值計算步驟為：①掌子面向前開挖2im至掌子面錨桿布設斷面，立即完成開挖位置初期支護并計算至平衡，以此計算平衡過程作為對錨桿布設時間的等效考慮；②按照預設的錨桿布設點位完成掌子面錨桿布設后，再向前開挖2im，立即完成開挖位置初期支護后計算至平衡。數(shù)值計算過程示意如圖14。

按照此計算方式，常規(guī)間斷式錨桿布設方案與連續(xù)交替式錨桿布設方案實際參與數(shù)值計算的錨桿支護長度為4im和2im。數(shù)值計算中，當隧道模型完成20im的逐步開挖、計算后，再進行掌子面錨桿布設，以充分消除模型邊界效應的影響。

4 計算結(jié)果及分析

4.1 掌子面穩(wěn)定性影響對比

掌子面錨桿支護的直接目的是通過控制掌子面及其前方地層的擠出變形，提升掌子面的穩(wěn)定性。因此將錨桿對于掌子面及其前方地層擠出變形的控制程度作為錨桿對于掌子面支護效果的定量評價指標，定義擠出變形約束量μ。

(3)

式中：μ0為無錨桿支護條件下掌子面擠出變形最大值(mm)；μs為錨桿支護條件下掌子面及其前方地層相應斷面位置擠出變形最大值(mm)。

4.1.1 掌子面錨桿支護狀態(tài)變化對支護效果的影響

將掌子面錨桿按照兩種不同布設方案應用于掌子面支護時，隨著隧道開挖的進行，掌子面上的錨桿支護狀態(tài)會發(fā)生變化。由于在不斷支護掌子面的條件下，各錨桿支護狀態(tài)產(chǎn)生的支護效果會相互疊加，因此無法直觀地對各種支護狀態(tài)產(chǎn)生的具體支護效果進行評價。為了評價兩種方案中可能出現(xiàn)的各錨桿支護狀態(tài)對于掌子面的支護效果，將隧道模型全斷面開挖至模型中部后，將常規(guī)間斷式布設方案應用過程中會出現(xiàn)的掌子面錨桿全長4im，掌子面錨桿全長2im的兩種支護狀態(tài)以及連續(xù)交替式布設方案應用過程中會出現(xiàn)的掌子面錨桿支護狀態(tài)1、2、3(圖11a、圖11b、圖11c)的3種支護狀態(tài)分別布設于掌子面上進行數(shù)值計算。

在數(shù)值計算模型中于掌子面及其前方地層上，每隔1im沿著隧道中軸線位置布設一系列的擠出變形監(jiān)測點。根據(jù)變形監(jiān)測結(jié)果，得到掌子面錨桿對于掌子面及其前方地層的擠出變形約束量與掌子面間距離的關(guān)系如圖15。

以2%的擠出變形約束量作為評價掌子面錨桿對于變形是否有控制作用的評價標準，探究兩種不同布設方案中可能出現(xiàn)的各錨桿支護狀態(tài)對于掌子面及其前方地層擠出變形的影響程度以及影響范圍。

由圖15可知，掌子面錨桿采用不同的布設方案時，得到的擠出變形約束量隨地層與掌子面間距離的變化規(guī)律基本一致。錨桿對于掌子面的支護效果隨著掌子面前方地層的深入而逐漸降低，影響范圍大約為掌子面前方8im內(nèi)地層。當掌子面錨桿采用常規(guī)間斷式布設方案進行支護時，掌子面錨桿的支護長度隨著隧道開挖的進行從4im縮短為2im，雖然其支護作用的影響范圍沒有縮小，維持在8im，但是其支護效果在影響范圍內(nèi)顯著降低，降低程度隨著地層與掌子面間的距離增大而減小。對于掌子面位置的支護作用效果降低程度最為顯著，擠出變形約束量由14%左右下降到11%左右，有著較大程度的損失；反觀，當采用連續(xù)交替式布設方案時，雖然掌子面錨桿的支護狀態(tài)也隨著開挖的進行而產(chǎn)生變化，但其產(chǎn)生的支護效果在影響范圍內(nèi)維持穩(wěn)定。對應的擠出變形約束量顯著優(yōu)于常規(guī)間斷式方案最不利支護狀態(tài)錨桿支護長度2im時產(chǎn)生的擠出變形約束量。對于掌子面位置的擠出變形約束量維持在13%左右，略高于常規(guī)布設方案對于掌子面擠出變形約束量的平均水平。

4.1.2 掌子面錨桿支護效果隨隧道推進過程的變化

在隧道推進過程中，對掌子面進行不斷支護時，每個掌子面上的錨桿支護作用效果和影響范圍會相互疊加。因此按照兩種不同的布設方案，在隧道推進過程中對掌子面不斷進行支護，研究其支護效果隨隧道推進過程的變化規(guī)律。

由圖16可知，采用常規(guī)間斷式布設方案時，由于錨桿的支護長度會隨著隧道開挖的進行在不斷縮短和補長之間交替，導致錨桿對于掌子面擠出變形約束量在6%～14%之間產(chǎn)生大幅度波動，支護作用效果表現(xiàn)出嚴重的高低不均，這對于掌子面變形的控制相當不利。反觀，采用連續(xù)交替式布設方案時，在經(jīng)歷過2個初始的布設斷面后，錨桿的支護作用效果穩(wěn)定在10%左右，處于常規(guī)間斷式布設方案產(chǎn)生支護效果的平均水平，可以很好地解決常規(guī)方案中錨桿支護作用效果不穩(wěn)定的問題。

綜合上述分析可知，掌子面錨桿采用常規(guī)間斷式布設方案支護掌子面時，對于掌子面的支護作用效果受到錨桿支護狀態(tài)變化的影響嚴重，存在最不利的支護狀態(tài)。而采用連續(xù)交替式布設方案時，對于掌子面的支護效果幾乎不受錨桿支護狀態(tài)變化的影響，可以維持在穩(wěn)定水平，彌補了常規(guī)間斷式方案存在最不利支護狀態(tài)的缺陷。同時，連續(xù)交替式布設方案為掌子面提供的穩(wěn)定支護效果要顯著高于常規(guī)方案的最差支護效果，且大致處于常規(guī)方案支護效果的平均水平。

4.2 地層控制效果對比

掌子面錨桿增強了掌子面及其前方地層的強度，在促進掌子面穩(wěn)定的同時，也能起到控制地層變形的作用(Lunardi，2000)。以拱頂沉降為例，對比分析兩種不同的掌子面錨桿布設方案在地層變形控制方面的差異。同樣地，引入掌子面錨桿支護對于拱頂沉降變形控制效果的量化評價指標，定義拱頂沉降變形約束量η。

(4)

式中：η0為無錨桿支護條件下拱頂沉降變形收斂值(mm)；ηs為錨桿支護條件下相應斷面位置拱頂沉降值(mm)。

由圖17可知，采用不同的掌子面錨桿布設方案，得到的拱頂沉降變形約束量隨地層與掌子面間距離的變化規(guī)律基本一致。以2%作用界定影響范圍的標準，則影響范圍大約在掌子面后方3im以及掌子面前方8im的范圍內(nèi)，較為顯著的影響范圍為掌子面前方6im左右，在掌子面前約3im的位置支護效果最為顯著。采用常規(guī)間斷式布設方案，掌子面錨桿支護長度為4im時，拱頂沉降變形約束量最大值達到11.5%；當掌子面錨桿的支護長度縮短為2im時，該值減少至9%左右，相較于掌子面錨桿支護長度4im時有著較大程度的損失。

反觀采用連續(xù)交替式布設方案時，錨桿對于拱頂沉降變形的控制作用基本不隨錨桿支護狀態(tài)的變化而變化，維持在穩(wěn)定水平。錨桿支護狀態(tài)1、2、3對于拱頂沉降變形的約束量最大值基本相同，約10.3%，支護效果介于常規(guī)間斷式錨桿布設方案的平均水平。

由上述對比可知，掌子面錨桿采用常規(guī)間斷式布設方案時，對于地層變形的控制效果同樣隨著支護狀態(tài)的變化有著較大的波動，存在最不利支護狀態(tài)，而連續(xù)交替式錨桿布設方案在地層變形的控制方面依舊能夠發(fā)揮出穩(wěn)定的支護效果，基本不隨支護狀態(tài)的變化而變化。

5 結(jié) 論

(1)掌子面超前錨桿采用常規(guī)間斷式布設方案時，不論是在控制掌子面變形還是地層變形方面，錨桿支護狀態(tài)的變化會對支護效果產(chǎn)生較大影響，具體表現(xiàn)為錨桿長度的縮短會導致支護效果的損失，存在最不利支護狀態(tài)。在隧道開挖過程中不斷對掌子面進行支護時，對于掌子面的支護效果會產(chǎn)生大幅度的波動，表現(xiàn)出嚴重的高低不均。

(2)新提出的連續(xù)交替式布設方案，雖然掌子面錨桿的支護狀態(tài)也會隨著隧道開挖的進行而產(chǎn)生變化，但是各支護狀態(tài)變化均勻，對于掌子面變形或者是地層變形的控制效果基本穩(wěn)定在同一水平，更有利于圍巖的穩(wěn)定。

(3)以渭武高速木寨嶺隧道為工程依托，在不提高支護成本的前提下，對掌子面超前錨桿分別采用常規(guī)間斷式布設方案以及新提出的連續(xù)交替式布設方案時的支護效果進行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明新方案在隧道推進過程中可維持錨桿支護作用效果穩(wěn)定，達到了預期目的，可以很好地解決常規(guī)間斷式布設方案存在的問題。后續(xù)將進一步根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果對該方案的實際應用效果進行評價。研究結(jié)果可為掌子面超前錨桿布設提供一種新方法。