隧道围岩锚杆支护参数优化分析

郑瑞永

（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁 辽阳 111000）

隧道围岩锚杆支护参数优化分析

郑瑞永

（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁 辽阳 111000）

隧道围岩锚杆支护参数的选取是支护结构设计的关键因素，是关系到锚杆支护是否安全可靠的重要问题。下文结合工程实际，对隧道IV级围岩段的锚杆支护进行数据模拟，对锚杆长度及锚杆环向间距进行优化分析，得出适合本工程项目的锚杆长度及环向间距值。

隧道；围岩；锚杆支护；环向间距

1 工程概况

大峡隧道两侧山坡均十分陡峭，隧址区属侵蚀构造中高山，海拔较高，地势起伏较大，在大峡隧道洞身段左线ZK85+071～ZK85+658，右线YK85+039～YK85+69段围岩级别为Ⅳ级，埋深为23.0～173.0m。隧道结构按照新奥法原理进行设计，采用复合式衬砌。初期支护由喷射混凝土、锚杆、格栅拱架和钢筋网组成。锚杆参数为φ22砂浆锚杆，长度3.0m，间距1.0m；初喷采用C25喷射混凝土，厚度18cm；拱架采用H12格栅拱架，间距1.0m；隧道二次衬砌采用C30整体式现浇素混凝土，厚度40cm，采用上下台阶法开挖。

2 计算模型

本次模拟选取左线ZK85+550断面作为Ⅳ级围岩标准断面，隧道埋深约为90m。隧道开挖洞径B=11.7m，洞高H=9.7m。本次二维隧道模型［1］左右边界取45m，隧道底部计算边界也取45m，拱顶距地表取90m，具体模型如图1所示：

图1 二维模型网格划分

2.1 单元类型

隧道结构模拟要选用合适的单元，提高计算精度，使模型更接近工程实际。根据不同结构特点，采用了三种计算单元：围岩采用平面实体单元PLANE42模拟；初支喷射混凝土采用梁单元BEAM3；锚杆采用杆单元LINK1模拟。

2.2 本构模型

围岩可作为匀质、各向同性和连续的弹塑性介质来计算，在模型中，岩体材料假设为均质各向同性，不考虑地下水的影响。开挖过程考虑围岩的塑性变形，采用Drucker—Prager模型，而其他结构仅考虑其弹性工作，采用线弹性本构关系。

2.3 边界条件

模型侧面和底面为位移边界，两侧的位移边界条件只约束水平移动，底部位移边界只约束其竖直移动，地表作为模型上边界，为自由边界。

2.4 围岩和材料参数

数值模拟需要的参数主要是围岩的物理力学参数、喷射混凝土的力学参数以及锚杆的物理力学参数。根据工程地勘报告，参数如下表1所示：

表1 围岩与初支的物理力学参数

3 隧道开挖模拟

隧道开挖模拟计算基于以下假定：（1）围岩的变形为各向同性；（2）对围岩的地应力计算，一般只考虑围岩的自重应力，而不考虑围岩中水压力和其他构造应力场的影响；（3）隧道支护只施作初期支护，初期支护只考虑锚杆和喷射混凝土的共同作用。第一步，在隧道开挖之前，将所有单元赋予围岩单元类型及材料参数，进行初始地应力计算，得到自重场下的计算结果；第二步，将隧道断面土体单元杀死，模拟隧道开挖，进行一次计算，得到开挖后的计算结果；第三步，将隧道内一圈衬砌单元激活，并赋予衬砌的材料参数，再进行一次计算，得到施加初衬后的计算结果。至此，隧道开挖过程模拟完毕。

4 Ⅳ级围岩锚杆参数工况选择

《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）中采用工程类比法，给出了Ⅳ级围岩隧道复合衬砌初期支护经验设计参数（见表2）根据规范给出的锚杆参数，本次模拟计算选取锚杆间距分为0.8m、1.0m和1.2m三种；锚杆长度分为2.0m、2.5m、3.0m、3.5m和4.0m五种。接下来对不同锚杆长度和锚杆间距模拟结果进行分析对比［2］。

表2 两车道隧道复合衬砌初期支护设计参数

5 锚杆长度优化分析

5.1 拱顶沉降位移

拱顶沉降直接反应出了拱顶围岩稳定性，从拱顶沉降对比可看出锚杆对拱顶围岩支护效果。本次研究表明：锚杆长度对拱顶沉降有一定影响，锚杆越长，拱顶沉降越小。锚杆长度从2.0m到2.5m时，拱顶沉降变化较大；长度从2.5m到3.0m时，拱顶沉降变化较小；长度从3.0m到4.0m时，拱顶沉降又发生小幅度的减小，说明锚杆长度对拱顶围岩的变形有一定的影响。

5.2 拱腰水平收敛位移

拱腰水平收敛位移反应了边墙围岩的稳定性，从拱腰水平收敛位移对比可以看出锚杆对边墙围岩的支护效果。研究表明：锚杆长度对拱腰收敛位移有一定影响，锚杆越长，拱腰收敛位移越小。锚杆长度从2.0m到2.5m时，拱腰收敛位移变化较大；长度从2.5m到4.0m时，拱腰收敛位移变化较小。

5.3 锚杆轴力

本次研究表明：拱顶处锚杆轴力最大，边墙锚杆轴力逐渐减小，到拱脚处锚杆又突然增大，这是由于围岩在拱脚处出现应力集中的原因。锚杆长度从2.0m到2.5m，锚杆轴力减小幅度较大；从2.5m到4.0m，锚杆最大轴力值变化曲线平缓，说明锚杆最大轴力值变化较小。综合上述，锚杆长度在2.0m～4.0m范围内变化，引起的围岩拱顶沉降位移、拱腰水平收敛位移、锚杆轴力的变化很小。综合考虑这些因素，锚杆长度建议取2.5m～3.0m，对于本隧道锚杆长度可以取2.5m。

6 锚杆环向间距优化分析

不同环向间距布置锚杆引起的锚杆应力变化，本次研究表明：随着锚杆间距增大，锚杆最大轴力逐渐减小；间距从0.8m增加到1.0m，锚杆最大轴力变化较小，基本没变化；间距从1.0m增加到1.2m，锚杆最大轴力有小幅度减小。可见，考虑围岩位移变化、锚杆轴力等因素，建议大峡隧道在Ⅳ级围岩段锚杆间距取1.0m。

7 结束语

综上，综合考虑围岩拱顶沉降位移、拱腰水平收敛位移、锚杆轴力等因素，锚杆长度取2.5m；锚杆间距对控制围岩位移作用不明显，但考虑到锚杆轴力在0.8～1.0间距之间变化最小，为节约成本，建议在Ⅳ级围岩段锚杆环向间距取1.0m。

［1］张慧玲.高速铁路超大断面隧道支护参数研究［J］.四川建筑，2010（03）：182-183.

［2］苏丽娟.高速铁路隧道围岩支护参数优化设计［D］.北京：北京交通大学，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

（责任编辑：黄 密）

郑瑞永（1973-），男，辽宁丹东人，研究方向：桥梁及隧道。