喷锚支护洞室受力特征研究

董 武

（武汉铁路局 武汉 430071）

0 引 言

当前，喷锚支护已广泛应用于国内外大型地下工程中，积累了较多的实践经验.但是关于喷锚支护设计计算理论发展相对缓慢，一些大型喷锚支护工程依然采用工程类比法或半理论半经验方法进行设计［1］.针对地下洞室开挖支护工程，采用基于相似理论的地质力学模型试验不仅可以反映地质构造和工程结构的空间关系，而且对数值试验结构进行一定程度的验证［2］.国内学者对此问题已做了较多的研究，李丹［3］采用环氧－硅橡胶模型材料研究了锚杆加固效应；顾金才［4］通过洞室模型试验和岩体结构面抗剪强度模型试验分析了不同类型锚索加固效果；肖明［5］采用含锚杆柱单元的三维弹塑性损伤有限元分析了混凝土喷锚支护 特 性；朱 训 国［6］利 用 Mohr－Coulomb，Hoek－Brown以及Duncan－Chang理论分别分析了块状和碎块状岩体锚固的物理效应；张思峰［7］利用颗粒流理论建立了砂固结预应力锚杆锚固性能的颗粒流数值分析模型，等等.本文采用地质力学模型试验和数值模拟方法，研究喷锚支护在均质围岩中的受力特点、变形特征和破坏形态，得出的喷锚支护作用机理是可信的.并在此基础上，分析了支护参数选择对加固效果的影响以及单独喷锚支护和喷锚联合支护在加固效果上的区别.

1 模型试验

1.1 模型试验参数选取

依据相似准则、影响洞室性态主要变量及实验室的设备条件，岩体模拟材料主要考虑抗拉、压强度，变形模量，泊松比，粘结力和内摩擦角的相似，试验中选取配比为m（标准砂）∶m（石膏）∶m（可赛银）∶m（水速凝剂）＝6∶0.9∶0.1∶0.8的材料来模拟围岩.此次试验按洞室表面单位面积上含锚杆面积的比例来选择锚杆直径和间距，而锚杆长度一般能满足相似要求，此次试验采用锚固力为Pb＝25～50N，延伸率为δb＝18%，直径0.75mm半硬化纯铝线材料来模拟锚杆.模拟喷层的的材料在力学性能上主要考虑了材料本身的拉、压强度，变形模量和泊松比，此外还考虑了其抗剪强度及其与围岩的粘结力，试验中采用石膏、碳酸钙和水材料进行内模浇注来模拟喷层.模型试验设计方案如表1所列.

表1 均质围岩喷锚支护模型试验概况

1.2 模型试验技术

模型试验设备有加载系统，数据采集系统，液压控制系统组成，见图1.取模型尺寸为50cm×50cm×20cm，则模型边长与洞径之比约为5∶1，模型厚度与洞径之比约为2∶1，见图2.针对给定地应力场条件，模型4个侧面采用应力边界条件，洞室轴向则采用平面变形条件，见图3.模型制作工艺如下：在厚钢板模具中，将模型分成两半制作（贴片需要），每半10cm厚，每片模型分成3次上料、夯实，且每层夯锤冲击力、次数基本一致，在上新料之前，把夯实材料上表面耙松以避免2层材料间的分层现象，夯实后，上表面用特制刮刀刮平.试验时，将洞室纵轴线与水平面垂直，4个侧面均加主动荷载，两两向上的荷载之比等于设计的侧压系数（N＝1／4），在模型上下表面还要施加纵向应力.为减小模型表面的摩擦效应，在表面用石膏垫层加以找平，在垫上两层聚四氟乙烯塑料.采用每级荷载增量为0.1～0.4MPa进行分级施加，直到洞室产生严重破坏为止.

图1 模型试验装置图

图2 喷锚支护模型设计图（单位：cm）

图3 数值计算模型（正面）

1.3 试验结果分析

试验测量内容有介质应变测量、洞壁位移测量、锚杆应变测量和纵向应力量测.因篇幅限制，只分析A组方案中的A1，A3和A4模型3组试验，B组方案中B1，B8和B9模型3组试验结果.图4、图5为A组试验的喷锚支护与无支护洞室洞周应变分布比较图和洞室荷载－位移曲线比较图，图6、7分别为B组试验的不同支护参数下喷锚支护洞周环向与径向应变分布（由左至右分别为B1，B8，B9模型试验结果）.

从图4中可以看出，在同一组模型中，喷锚支护洞室应变分布状态与毛洞的基本相似：（1）洞周应变受拉、压状态基本相似.如N＜1时，圆形洞室洞周环向应变除拱顶外全部受压，并且最大压应变都发生在拱脚部位、洞壁附近，离洞壁远处，压应变值就逐渐减小.洞周径向应变都是洞壁附近受拉，离洞壁远处受压，最大拉应变都发生在拱顶或拱脚；（2）洞周应变随深度的变化规律基本相似，二者的拉、压应变值都随深度的增加而减小；（3）洞周围岩内的最大拉、压应变值所出现的部位也基本相同.在N＝1／4荷载条件下，洞周最大环向压应变都发生在洞室的拱脚部位，这与二者的破坏部位都在拱脚处相对应.洞周最大径向拉应变一般也都出现在洞室拱脚处，个别模型的拱顶径向拉应变也较大.正是由于具有（1）、（2）2个受力方面的共同特点，才有第三个共同特点，即在同样荷载下，洞室的破坏部位基本相同.

图4 喷锚支护与无支护洞室洞周应变分布比较

从图5洞壁荷载－位移曲线对比中看出，在同样荷载下喷锚支护洞室拱顶位移曲线的斜率比毛洞的高，说明在同样荷载增量下，喷锚支护洞壁位移小，亦即洞室整体变形刚度高.毛洞破坏时（即曲线出现折断型转折时）所对应的洞壁位移仅为支护洞室的一半左右，这说明喷锚支护洞室比毛洞更能忍受较大的变形.这主要是由于锚杆对围岩的串联作用造成的.当围岩发生微裂时，锚杆依然在发挥着作用，牵连着裂隙岩体不至于产生迅速脱离，使得洞室破坏由脆性转为延性，这是喷锚支护的重要作用之一.

图5 洞室荷载－位移曲线比较

图6 不同支护参数下喷锚支护洞周环向应变分布特点

图7 不同支护参数下喷锚支护洞周径向应变分布特点

从图6、图7中看出，在相同荷载下，喷锚联合支护B8，B9模型对比毛洞B1模型，洞周最大拉、压应变值较小，围岩介质内应变受拉区深度较小且与洞室表面应变相比数值较小，洞室拱顶环向应变都受压，而毛洞受拉，拱脚径向应变受压，其他情况受拉，说明喷锚支护可以减弱洞壁附近的应力集中，同时也改善了围岩介质内的受力状态，而喷层进一步对拱脚变形进行较大的约束.对比单独锚杆支护B8和喷锚联合支护B9模型的洞周应变分布：二者环向应变分布一致，洞周径向应变分布则有明显不同，有喷层的B9模型的拱脚处径向应变完全受压，而无喷层的B8模型却在该处出现很大的拉应变，表明喷层有力地限制了拱脚处围岩朝洞内的径向变形，改善了围岩的受力状态.另外对比两组试验单独锚杆支护形式，锚杆长度及间距对其加固效果（主要指洞室破坏荷载和洞周拉、压应变数值）影响较大，如加固效果显著的A3模型锚杆参数是长度Lb＝0.5r0，间距a＝0.3r0＝b（r0为洞室半径）.

2 数值模拟分析

采用FLAC3D快速拉格朗日有限差分软件进行数值模拟.喷锚支护结构采用以下单元［8］：二维岩石锚杆单元是可以考虑轴向在拉伸或压缩应力下达到屈服状态，并定义拉伸破坏极限和有效侧限应力模拟岩石锚杆破坏情况；衬砌结构单元可视为粘结在网格表面上的壳体单元，可模拟法向方向上的拉伸和压缩作用以及衬砌与围岩介质在剪切方向摩擦力作用；岩体采用摩尔－库仑弹塑性模型，并设置大应变模式（模型示意图如图3所示）.模型采用直角坐标系，不考虑重力影响.在模型垂直法向和水平法向边界面分6步增加至6.72MPa（4倍岩体抗压强度）和1.68MPa（1／4倍侧压）的应力边界条件，并指定每个大步运行500个子步以便使模型达到平衡状态.由于程序规定结构单元尺寸至少达到单个计算网格尺寸，金属垫片模拟做如下处理：在删除锚杆端头原来锚体和区域之间自动建立的连接之后，通过设置锚杆外锚头和其附近介质为刚性铰结来实现垫墩作用.计算采用的材料物理力学参数见表2.

表2 计算模型相关参数

图8为A组试验中喷锚支护洞室荷载－位移曲线.图9和10分别为计算得到的B组试验中不同支护参数下喷锚支护洞周体应变和剪切应变增量云图（由左至右分别为B1，B8，B9模型计算结果）.

图8 喷锚支护洞室荷载－位移曲线

从图8可以看出，A3单独锚杆支护洞室模型、A4B9喷锚支护洞室模型与A1毛洞模型在竖直和水平方向上荷载－位移曲线变化趋势相似，且洞室拱脚位移都是朝向洞外的，说明喷锚支护不能改变围岩的受力特征.同时，在相同荷载条件下，喷锚支护洞室（A4）拱顶位移曲线的斜率比毛洞（A1）高，说明在同样荷载增量条件下，喷锚支护洞壁位移较小，这与模型试验结果一样.为使喷层与围岩协调变形以发挥围岩支撑作用，在数值试验中两者材料参数取值相近，且都是理想状态下经验值，这就使得曲线变化幅度与模型试验差别较大.

3 结 论

1）喷锚支护可以改变围岩的受力状态，但不能改变围岩的基本受力特征.在同样荷载条件下喷锚支护洞室洞周应变增量较小，洞壁荷载－位移曲线斜率较高，但围岩应变分布状态与毛洞的基本相似，这是由于喷锚支护通过锚杆对围岩内部的串联作用和喷层对围岩表面的封闭作用，只把部分围岩变成了相对于原围岩有较高的强度、较大变形承受能力的材料.

2）喷锚支护可以提高洞室的整体变形刚度及其忍受较大变形的能力.这是由于喷层作为一个完整的有空间支点的壳体对拱脚处围岩产生了颇为可观的反作用，从而阻止了拱脚处材料的内移.当洞室围岩受力变形时，喷锚支护与围岩保持同步变形，并在变形过程中对围岩提供越来越大的约束作用，起到了一定的支撑作用.

3）喷锚支护对围岩的加固效果与支护参数选择具有密切关系.要提高洞室的稳定性，只增加锚杆长度不行，还必须具有足够的密度以提高在洞室破坏时锚杆对洞壁脱落体的约束力.由此，在工程中宜采用长短结合、相间布置的锚杆支护型式，以便围岩深部、浅部均得到较强的加固，同时，也应注意锚杆、锚杆注浆及喷层材料应与围岩相匹配问题.

［1］姚爱敏，孙世国，刘玉福.锚杆支护现状及其发展趋势［J］.北方工业大学学报，2007，19（3）：90－94.

［2］顾金才，陈安敏.岩体加固技术研究之展望［J］.隧道建设，2004，24（1）：1－2，5.

［3］李 丹，夏彬伟，陈 浩.深埋长隧锚杆对围岩支护效应的模型试验研究［J］.岩土力学，2008，29（7）：1 832－1 836.

［4］顾金才，沈 俊，陈安敏.锚固洞室受力反应特征物理模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，1999，18（增）：1 113－1 117.

［5］肖 明，叶 超，傅志浩.地下隧洞开挖和支护的三维数值分析计算［J］.岩土力学，2007，28（12）：2 502－2 506.

［6］朱训国，杨 庆，栾茂田.岩体锚固效应及锚杆的解析本构模型研究［J］.岩土力学，2007，28（3）：537－542.

［7］张思峰，周 健，李艳梅.砂固结预应力锚杆锚固性能的颗粒流数值分析［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（增1）：2 921－2 926.

［8］Itasca Consulting Group Inc.FLAC3D （Version 2.0）users manual［R］.USA：Itasca Consulting Group Inc.，1997.