浅埋软弱围岩隧道掌子面锚杆预加固参数分析

邓洪龙 刘 江 晁晓辉 李 铭 张宗磊

（1.中交第二公路工程局有限公司；2.河南理工大学土木工程学院）

新奥法对我国隧道工程的基础理论、设计和施工技术的发展有着十分重要的影响，经过大量的隧道工程实践经验，科研及工程人员提出了不同隧道围岩质量的开挖方法［1］。从保证工期和节约成本出发，开挖方法的选择为全断面法→台阶法→CD 法→CRD 法→双侧壁导坑法；从施工安全考虑，顺序正好相反［2］。

新意法［3］是意大利Pietro Lunardi 教授基于新奥法与压力拱理论提出的，其核心思想是通过对隧道施工中围岩的应力-应变反应进行深入研究，通过对超前核心土的强度和刚度进行调节来控制围岩的变形。新意法的优点在于能够提高隧道的整体稳定性和安全性，同时也能够降低施工风险和减少施工时间和成本。因此，在地层条件较差的情况下，采用新意法是一种较为可行的选择。国内外的一些学者已经针对隧道超前预加固进行了研究，肖广智等［4］对以控制掌子面超前核心土变形为手段的新意法理论进行了系统介绍。陈涛等［5］对玻璃纤维锚杆全断面预加固技术及工艺操作流程进行了介绍，为新意法在隧道建设中的应用与推广提供了理论基础。师晓权等［6］通过对软弱围岩隧道开挖进行预加固试验分析，研究掌子面锚杆加固对围岩稳定的影响效应。LI等［7］通过模拟基于软弱围岩隧道掌子面锚杆各项加固参数对掌子面稳定性的影响进行研究。FETHI等［8］对掌子面锚杆与隧道护拱的加固效果通过有限差分法进行了对比分析。韩会军等［9］在极限分析上限法与综合强度折减法的基础上对掌子面稳定性的影响因素进行了分析，得出了掌子面锚杆在对提高围岩稳定性方面作用显著，可为施工中超前支护参数和施工方法的初步确定提供参考。关岩鹏等［10］在新意法的理论基础上，对桃树坪大断面软岩隧道工程进行了研究，得出大断面软岩隧道新意法施工的合理加固参数。在国外，新意法已经被广泛应用于隧道设计和施工中，取得了良好的效果［11-14］。而在我国，由于缺乏相关的技术人员和实践经验，只在部分隧道开挖段中进行了尝试性应用［15-16］。

综上所述，大多数学者更重视对隧道围岩的支护，对掌子面核心土的稳定性研究较少，为了提高围岩稳定性，本文采用新意法的理念，结合格鲁吉亚某公路隧道工程，运用有限差分软件模拟，优化浅埋软弱围岩隧道掌子面锚杆的加固密度、加固长度，可供类似工程参考。

1 工程概况及分析工况

1.1 工程概况

格鲁吉亚某公路隧道工程洞径12.9 m，施工要求开挖高度11.0 m，每循环进尺1.0 m。隧道围岩主要为石英片麻岩构成的变质岩（PZqgn）地层，围岩级别为Ⅴ级。

1.2 模拟工况

为分析玻璃纤维锚杆加固对掌子面前方围岩变形和应力影响，隧道围岩采用摩尔-库仑本构模型，开挖方式采用全断面开挖，循环开挖进尺为1 m，开挖至目标断面处。初次支护采用壳单元结构，掌子面玻璃锚杆直径22 mm。围岩物理力学参数如表1所示，支护结构参数如表2所示。

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分析玻璃锚杆施作长度对掌子面前方围岩变形和应力影响的计算工况见表3。分析玻璃锚杆施作密度β（掌子面每平方米锚杆数量）对掌子面前方围岩变形和应力影响的计算工况见表4。

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2 模拟计算结果分析

2.1 玻璃锚杆加固长度模拟分析

通过对工况MG-1～MG-4 的模拟计算，得到当开挖至30 m 目标断面时，掌子面挤出位移变化、掌子面拱顶处前方位移及应力变化。

（1）玻璃纤维锚杆不同加固长度下掌子面挤出位移曲线如图1 所示。由图1 可知，随着玻璃锚杆加固长度的增加，掌子面挤出位移逐渐减小。l=0 m（掌子面无加固）时，掌子面最大挤出位移为27.5 mm；l=3 m 时，掌子面最大挤出位移为19.4 mm，相对于l=0 m 减少了约29.5%；l=6 m 时，掌子面最大挤出位移为15.8 mm，相对于l=0 m 减少了约42.5%；l=8 m 和l=12 m 时，掌子面最大挤出位移为15.1 mm，相对于l=0 m减少了约45.1%；当加固长度大于6 m时，继续增加锚杆加固长度对掌子面的挤出变形控制效果不明显，从掌子面挤出位移角度分析，可知合理的锚杆加固长度为6 m。

（2）玻璃纤维锚杆不同加固长度下掌子面拱顶处前方监测点预收敛变形情况如图2 所示。由图2可以看出，随着锚杆加固长度的增加，掌子面拱顶处前方监测点预变形量逐渐减小，并趋于稳定，预变形主要发生在距离掌子面10 m 范围内。当锚杆加固长度大于6 m 时，继续增加锚杆加固长度对掌子面拱顶处前方围岩的预变形控制效果不明显，从掌子面拱顶处前方围岩的预变形角度分析，可知合理的锚杆加固长度为6 m。

（3）玻璃纤维锚杆不同加固长度下掌子面拱顶处前方监测点应力变化如图3 所示。由图3 可以得出，隧道开挖后掌子面拱顶处前方应力重分布主要集中在距离掌子面10 m 范围内。当锚杆加固长度大于6 m时，继续增加锚杆加固长度对掌子面拱顶处前方监测点的竖向应力和水平应力控制效果不明显，从这个角度分析，亦可知合理的锚杆加固长度为6 m。

根据以上分析结果可知：合理的锚杆加固长度为6 m，但根据经验掌子面锚杆在Ⅴ级围岩中的加固长度不应小于隧道跨度的一半（6.45 m），为保证掌子面有一定的安全系数，取掌子面锚杆的加固长度为8 m。

2.2 玻璃锚杆加固密度模拟分析

通过对工况MM-1～MM-7 的模拟计算，得到当开挖至30 m 目标断面时，掌子面挤出位移变化、掌子面拱顶处前方位移及应力变化。

（1）玻璃纤维锚杆不同加固密度下的掌子面挤出位移曲线情况如图4 所示。由图4 可以看出，随着锚杆密度的增加，掌子面挤出位移逐渐减小。β=0（掌子面无加固）时，掌子面最大挤出位移为27.5 mm；β=0.25 时，掌子面最大挤出位移为20 mm，相对于β=0 减少了约27.3%；β=0.5 时，掌子面最大挤出位移为17.5 mm，相对于β=0减少了约36.4%；β=0.75时，掌子面最大挤出位移为15.3 mm，相对于β=0 减少了约44.4%；β=1.0 时，掌子面最大挤出位移为14.2 mm，相对于β=0 减少了约48.4%；β=1.5 时，掌子面最大挤出位移为11.6 mm，相对于β=0减少了约57.8%；β=2.0时，掌子面最大挤出位移为9.8 mm，相对于β=0 减少了约64.1%。当锚杆加固密度大于0.75，继续增加锚杆加固密度对掌子面的挤出变形控制效果逐渐减弱，且浪费材料，不经济，从掌子面挤出位移角度分析，可知合理的锚杆加固密度为0.75。

（2）玻璃纤维锚杆不同加固密度下掌子面拱顶处前方监测点预收敛变形情况如图5 所示。由图5可以看出，随着锚杆加固密度的增加，掌子面拱顶处前方监测点预变形量逐渐减小，并趋于稳定，预变形主要发生在距离掌子面10 m 范围内。当锚杆加固密度大于0.75 时，继续增加锚杆加固密度对掌子面拱顶处前方围岩的预变形控制效果不明显，从掌子面拱顶处前方围岩的预变形角度分析，可知合理的锚杆加固密度为0.75。

（3）玻璃纤维锚杆不同加固密度下掌子面拱顶处前方监测点应力变化情况如图6 所示。由图6 可以看出，隧道开挖后掌子面拱顶处前方应力重分布主要集中在距离掌子面10 m 范围内。当锚杆加固密度大于0.75时，继续增加锚杆加固密度对掌子面拱顶处前方监测点的竖向应力和水平应力控制效果不明显，从这个角度分析，亦可知合理的锚杆加固密度为0.75。

综合以上数值分析结果可知：掌子面锚杆加固密度取0.75 时，既能满足加固效果，又能取得良好的经济效益。

3 结 论

（1）掌子面挤出位移在隧道中心附近处最大，并且掌子面挤出位移随着隧道掌子面锚杆加固长度或锚杆加固密度的增加而逐渐减少。

（2）隧道开挖因受隧道拱效应的影响，预变形与应力重分布均主要发生在掌子面前方一倍洞径左右范围内，掌子面拱顶处前方变形随着隧道掌子面锚杆加固长度或锚杆加固密度的增加而逐渐减小，而掌子面拱顶处前方应力随着隧道掌子面锚杆加固长度或锚杆加固密度的增加而趋近于原始应力状态。

（3）综合考虑施工安全和经济效益可选用加固长度8 m 和加固密度0.75 的掌子面锚杆作为稳定核心土的加固方案。