巷道锚杆锚索协同支护数值模拟研究

唐 红 朱晓菲

（河南城建学院建筑与城市规划学院，河南省平顶山市，467036）

目前岩土锚固支护已经成为解决复杂岩土工程问题和提高岩土工程稳定性最经济、最有效的方法之一，但是由于岩土锚固作用机理复杂，尤其在地质条件复杂的锚固工程中，锚固支护效果受地质工程条件、锚杆（锚索）和围岩的相互作用、锚杆（锚索）支护参数、施工技术等众多因素的影响，支护设计方案和参数主要以工程经验为主，存在很大的不确定性和盲目性。因此，对锚杆、锚索的支护参数进行研究，进一步探索更为合理的支护方式和参数具有重要的意义。

1 锚杆、锚索协同支护原理

巷道在开挖后，围岩的原始平衡状态被打破，围岩由三向应力状态转化为两向应力状态，应力发生重新分布，围岩产生变形，这时就需要进行巷道支护。锚杆、锚索协同支护作为一种有效的支护方式，在具体的支护过程中，锚固机理是怎样的？锚固作用又是如何产生的呢？相对于锚索支护，锚杆支护属于柔性支护。就锚杆、锚索的支护材料而言，锚杆杆体的延伸率可以达到15%以上，是锚索钢绞线延伸率的5倍以上。同时，锚杆的杆体较短，锚固范围较小，一般不大于2.5 m，而锚索的长度较长，锚固深度更深，锚固范围更大，甚至达到了几十米。在软弱的围岩条件下进行开挖，围岩的变形量很大，开挖后如果进行锚索支护会因锚索延伸量超过极限而拉断，因此在巷道开挖初期只进行锚杆支护，允许围岩发生较大变形，释放变形能。通过锚杆的预应力加固作用，锚岩加固体在一定变形范围内可以保持自身稳定。等到锚岩加固体的自稳性达到极限之前、围岩剩余变形小于锚索极限延伸量时再进行锚索支护，通过锚索悬吊作用进一步将锚岩加固体悬吊在上覆坚硬岩层中，抑制围岩的剩余变形，进一步增强围岩的承载能力。锚杆、锚索协同支护使锚杆和锚索各自发挥了自身的优势，减小了巷道变形，在开挖支护初期锚杆支护发挥柔性作用，既可让围岩发生一定的变形，又可给围岩一定的支撑力，阻止围岩过大的剪胀变形，提高围岩的强度；后期锚索支护发挥刚性支护作用，进一步提高与改善锚杆支护的整体性能，达到控制围岩大变形的目的。在锚杆、锚索协同支护设计时，最关键的是采用合理的锚杆支护形式和参数，选择恰当的锚索支护时机和与锚杆支护相匹配的锚索支护参数。

本文基于锚杆、锚索协同支护原理，在锚杆支护的基础上，重点研究锚索支护参数之间的协同匹配关系和锚索支护与锚杆支护之间的协同效应。

2 数值模拟研究

2.1 计算模型

以河南某矿工程实际为基础，利用FLAC3D数值模拟软件建立三维数值模型。模型的三维尺寸为40 m×30 m×4 m，巷道的工程断面为半圆拱形，净宽4 m，直墙高1.4 m，净断面积为11.88 m2。模型采用放射状网格，共划分8064个单元，9527个网格结点。巷道所在的岩层主要是由粉砂岩、泥质页岩以及细砂岩等组成，其中巷道周围以泥质页岩为主，厚度约为10 m。通过岩石力学试验，确定模型中巷道围岩的物理力学参数如表1所示。

表1 模型中巷道围岩的物理力学参数

模型的边界条件包括位移边界条件和应力边界条件。计算模型的边界条件和荷载约束见图1，其中考虑到上覆岩体自重应力大小，取荷载大小为25 MPa。

2.2 模拟方案

由于锚索支护的参数较多，如果全都考虑进去，则工作量非常大，因此本文主要选择锚索预紧力、锚索长度、锚索锚固长度3个有代表性的支护参数进行研究分析。结合工程实践，选取锚杆、锚索支护参数。锚杆采用高强锚杆，其屈服强度不小于600 MPa，抗拉强度不小于800 MPa，延伸率不小于18%，锚杆长度为2.2 m，锚固长度为0.66 m，锚杆直径为24 mm，钻孔直径为30 mm，施加的预紧力为20 k N，锚杆间排距为800 mm×800 mm，巷道半圆拱断面布置7根锚杆，两直墙段布置6根锚杆。锚索直径为22 mm，钻孔直径28 mm，支护排距为1.6 m，半圆拱断面布置3根锚索，两直墙段中部各布置1根锚索。另外，锚杆、锚索协同支护时要考虑支护时机问题，即巷道开挖后先进行锚杆支护，再进行锚索支护，否则两者同时施加会导致锚索超前受力而拉断。在考虑锚索延缓支护时经初步试算，选择在锚杆支护为300时步时再添加锚索支护，可以避免锚索及早受力而拉断的问题。

图1 模型边界条件和荷载约束

在围岩条件和锚杆、锚索其他参数一定的情况下，对所研究3个锚索支护参数分别选取3个水平值，然后按照正交试验设计方法进行组合，安排9次正交试验进行数值模拟，见表2，表中锚固长度系数为锚固长度与锚索长度的比值。

表2 数值模拟方案的正交试验表

3 数值模拟结果分析

3.1 巷道围岩变形的影响因素重要性分析

巷道支护效果评价可以通过巷道表面变形收敛量来反映。将9组正交试验的顶底板收敛量和两帮收敛量分别进行极差和方差分析，得到巷道围岩位移极差分布直方图，见图2。

影响围岩顶底板收敛变形的主要因素是锚索预紧力，其次是锚索长度，最后是锚固长度系数，经方差分析，预紧力影响的显著性水平达到了99%，影响最为显著，而锚索长度和锚固长度系数的影响程度大体相同，显著性水平在90%左右。影响围岩两帮变形的主要因素也是锚索预紧力，其次是锚索长度，最后是锚固长度系数，这和顶底板变形的影响规律是相同的，其中预紧力影响的显著性水平达到了96%。因此，锚索预紧力的大小对巷道围岩的整体变形影响最为显著，在实际支护时应重点考虑。

图2 围岩变形影响因素的极差分布图

3.2 锚索预紧力对围岩变形的影响规律分析

为了更直观地分析锚索各支护参数对围岩变形的影响规律，对9组正交试验的顶底板、两帮位移数据进行整理，绘出锚索预紧力、锚索长度和锚固长度系数对巷道围岩顶底板、两帮位移平均值的关系曲线图，见图3。

锚索不同预紧力与巷道围岩位移变化的关系曲线见图3（a）、（b）。结果表明：

（1）锚索预紧力的变化对巷道顶底板变形收敛和两帮变形收敛的影响规律是相同的，即随着锚索预紧力的增加，巷道围岩变形得到有效控制，预紧力越大，围岩变形越小，反之亦然。

（2）在巷道顶底板位移变化曲线中，锚索预紧力为80～100 k N时的巷道顶底板位移变化率比预紧力为100～120 k N要大，即在预紧力为100 k N时存在突变点。由于锚杆施加的预紧力为20 k N，也就是说，当锚杆预紧力为20 k N、锚索预紧力为100 k N时，锚杆与锚索的联合支护才能够达到一定的协同效应，控制巷道顶底板变形的协同作用效果明显。虽然继续增加锚索预紧力有减少顶底板变形的趋势，但一方面效果不显著，另一方面会使锚索超前锚杆承受载荷，导致协同效应的弱化，甚至由于锚索延伸率小的特性而被拉断。

（3）在巷道两帮位移变化曲线中，随着锚索预紧力的增加，两帮位移变化呈线性递减，锚索预紧力越大越好。但是考虑到实际情况，要想达到更高的预紧力，需要一定配套的工艺设备，因此，锚索预紧力的施加要综合考虑。

图3 锚索预紧力、锚索长度和锚固长度系数与巷道围岩位移关系图

3.3 锚索长度对围岩变形的影响规律分析

锚索不同长度与巷道位移变化的关系曲线见图3（c）、（d），可以看出锚索长度对巷道顶底板变形的影响规律与对巷道两帮变形的影响规律截然相反。随着锚索长度的增长，巷道顶底板变形逐渐增加，而巷道两帮变形却逐渐减小。原因在于锚索支护在巷道顶板发挥的作用主要是悬吊作用，只有锚索长度超过巷道的冒落拱高度一定距离，即保证锚索锚固段伸入到深度稳定的岩层中，锚索的悬吊作用才会发挥。结合《公路隧道设计规范》中给出巷道冒落拱高度的公式，估算此巷道冒落拱高度为3.0～4.0 m，可以判断正交试验模型中锚索锚固段都已经伸入到深度稳定的岩层中。当锚固长度一定时，锚索长度越长，则锚索自由段长度就越长，在锚索延伸率一定的情况下，锚索的伸长量就越大，围岩的顶底板收敛量也就越大。当锚索自由段长度增长到一定数值时，锚索长度对顶底板位移的影响程度就会降低，主要是因为锚索锚固段的围岩已基本处于原岩应力，围岩变形很小，即使再增加锚索长度，对锚索的延伸量也没多大影响，锚索长度在6.0～7.0 m时对巷道顶底板变形影响要大于7.0～8.0 m的情况。由于巷道底板没有施加锚杆和锚索支护，底板变形差异不大，顶底板变形的规律等价于顶板变形规律。因此，当锚索锚固段已伸入顶板深部的稳定岩层时，过度增加锚索长度反而对支护效果不利。

巷道两帮围岩的稳定性规律和顶板不同，锚索支护在两帮处主要是控制围岩的剪胀变形而在顶板处主要是起到悬吊作用。两帮处的围岩变形比顶底板要小，且达到原岩应力区的深度也要比顶底板要浅，锚索长度很容易进入原岩应力区，此时，随着锚索长度增加，锚索自由段长度越长，而锚索预紧力主要施加在自由段上，锚索预紧力的作用范围就大，两帮围岩的剪胀变形就越小。综上所述，锚索长度的确定关键取决于控制围岩的哪一部分变形，同时也要考虑支护成本和施工难易，合理选择锚索长度。

3.4 锚索锚固长度对围岩变形的影响规律分析

从上面分析可以看出，锚索长度对围岩位移变化的影响呈 “负相关”的关系，而锚索锚固长度对围岩位移变化的影响是其侧面描述，必然也是呈“负相关”的关系。这从锚固长度系数与巷道顶底板位移关系图可以得到证实，见图3（e）、（f）。随着锚索锚固长度的增加，巷道顶底板位移逐渐减小，两帮位移逐渐增大。因此，在确定锚索锚固长度时，要同时结合锚索长度这一参数，全面考虑。结合本文模拟结果，当锚索长度在6.0～7.0 m，锚固长度系数在0.3～0.4时，锚索支护能较好地抑制巷道围岩顶底板的变形；当锚索长度在7.0～8.0 m，锚固长度系数在0.2～0.3时，锚索支护能较好地抑制巷道围岩两帮的变形。

4 结论

（1）锚杆—锚索协同支护是以预紧力锚杆支护作为先期的柔性支护来加固巷道周围浅部围岩，待围岩变形达到一定程度，施加预紧力锚索支护，通过锚索的协同配合作用，一方面，在锚杆支护的基础上进一步提高围岩的强度；另一方面，锚索的悬吊作用可以将浅部松动破坏的围岩悬吊于深部稳定的岩层中，防止围岩冒落。

（2）影响围岩顶底板、两帮变形的主要因素都是锚索预紧力的大小，锚索预紧力的大小对巷道变形的影响最为显著，因此，在实际支护时应重点考虑。

（3）锚杆预紧力须和锚索预紧力协同配合，共同控制围岩的变形。数值模拟表明，预紧力为20 k N的锚杆和预紧力为100 k N的锚索在巷道顶底板变形控制中能达到很好的协同配合作用。

（4）巷道围岩顶底板和两帮的围岩稳定性控制机理不同，需要采取的支护理念和支护参数也不同。

（5）锚索锚固长度对围岩位移变化的影响规律是锚索长度对围岩位移变化影响规律的侧面描述，它们之间呈负相关的关系，因此，在确定锚索锚固长度时，要同时结合锚索长度这一参数，全面考虑。

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