节理发育岩体隧道锚杆支护参数优化研究

游 贵 良

(同济大学，上海 200092)



节理发育岩体隧道锚杆支护参数优化研究

游 贵 良

(同济大学，上海 200092)

结合内蒙古窑沟隧道，通过UDEC离散元软件数值模拟手段研究锚杆环向布置范围、间距对隧道结构变形与稳定性的影响，进而将锚杆原设计参数——环向布置范围216°、间距1.0m优化为环向布置范围90°、间距1.0m，并证明了其合理性，对类似工程具有一定的参考价值。

节理，系统锚杆，参数优化，离散元软件

0 引言

节理的存在，使得岩体被分割成不连续介质，因而往往成为影响隧道围岩稳定性的决定性因素[1-]4〗。锚杆支护作为公路隧道中支护方式的重要组成部分，它和喷射混凝土一起构成柔性支护，从而约束围岩变位，并与围岩共同形成支承环结构，因而在初期支护中起着重要的作用。然而，当前依然存在着锚杆支护参数选取不尽合理，锚杆作用未能充分发挥而造成支护材料浪费和支护成本增加的现象。因此，有必要对锚杆支护参数进行合理设计和优化。

本文依托内蒙古窑沟隧道，针对近水平层理和竖向节理发育的典型地层，将岩体视为非连续介质，在参照规范和以往工程经验的基础上，利用UDEC离散元软件建立二维计算模型，通过改变锚杆环向布置范围、环向间距、径向长度，计算结构变形量，研究锚杆参数对隧道结构变形与稳定性的影响规律，进而提出锚杆支护参数的优化方案，为后续施工与支护设计提供指导，并为类似工程提供一定参考价值。

1 工程概况及参数选取

1)依托工程。

本文依托工程为荣乌高速十七沟至大饭铺段窑沟隧道出口段ZK54+510～ZK54+370区段，该区段以灰岩为主，具硬质岩特性，属Ⅴ级围岩；存在近水平层理和竖向节理，部分有充填物，呈剪性。出口段埋深约为22.18m，断面高9.31m，宽12.62m。运用地质素描、统计分析手段对围岩节理特征优化描述如表1所示。图1为断面ZK54+380的CAD重构图。

表1 优化节理特征参数

依据现场地勘资料，并结合工程经验，取围岩的杨氏模量和泊松比分别为3.1GPa和0.32。节理面力学参数参考文献取值，围岩和节理面力学参数取值见表2。

2)模型建立。

考虑隧道的边界影响范围，地层范围设置为：上边界取至地表，下边界自洞室中心向下取1.5倍洞高，两侧自洞室中心向外各取3倍洞宽。节理模型选取库仑滑动材料模型。

表2 岩体、节理力学参数

3)锚杆设计参数。

隧道原有锚杆设计参数为锚杆环向布置范围216°，间距1.0m，径向长度3.5m。

本文拟对原有锚杆设计参数进行优化，选取锚杆长度2.0m～4.0m；锚杆环向间距0.8m～1.5m；锚杆环向布置范围60°～180°，呈梅花形布置，研究锚杆设计参数对隧道围岩稳定性的影响，提出锚杆参数优化方案。

2 锚杆环向布置范围

取锚杆环向布置范围为60°,90°,120°和180°不等，其他设计参数不变，进行数值模拟。

计算得到各工况下围岩变形云图，如图2所示，隧道拱顶上方出现不均匀的沉降，沉降值的大小从0mm到约10mm不等。为了便于统计分析，依据图例将变形区域按照沉降值的不同加以分类，即将围岩按照大于8mm，6mm～8mm，4mm～6mm和2mm～4mm的沉降值划分为A,B,C,D四类。沉降面积统计结果如表3所示，以60°工况为基准，计算不同工况下各类沉降区域面积(沉降大于4mm)与其的比值，并绘制其变化曲线，如图3所示。

表3 锚杆环向范围不同工况下围岩变形面积统计表

如图3所示，锚杆环向布置范围增加时，拱顶沉降值的变化幅度以90°为分水岭，60°→90°时，拱顶沉降值大于10mm，围岩松动范围减幅最大(其中大于8mm沉降区域减幅约75%)；超过90°时，拱顶沉降值约为8mm，围岩松动范围减幅不明显。

综合考虑隧道结构安全储备与工程经济成本，针对该条件下的地层，施作隧道系统锚杆支护时，并非锚杆环向布置范围越大越好，该隧道环向布置范围取90°左右为宜。

3 锚杆环向间距

取锚杆环向布置范围为90°，锚杆环向间距取0.8m,1.0m,1.2m和1.5m不等，研究锚杆环向间距的设定。

数值计算得到不同锚杆环向间距工况下围岩变形云图见图4，如上一节所述方法，将围岩按不同的沉降值划分为A～D四类。表4为各沉降区域对应的统计面积，以间距1.5m工况数据为基准，计算不同工况下各类沉降区域面积与其相对比值，其变化曲线见图5。

表4 锚杆环向间距不同工况下围岩变形面积统计表

分析表4及图5，大于1.2m间距时，拱顶沉降大于10mm，小于1.2m间距时，拱顶沉降稳定在8mm，变化不大；并且在1.5m→1.2m间距范围内，围岩松动范围减幅最为明显，1.2m→1.0m间距范围内的围岩松动范围减幅其次，当锚杆环向间距小于1.0m时，围岩松动范围减小很少，可以认为当锚杆间距小于1.0m时，继续加密锚杆并不能再明显地提升对围岩的加固效果，未能充分发挥锚杆的锚固作用，造成支护材料的浪费。综合考虑隧道结构安全储备与工程经济成本，建议该隧道锚杆环向间距取1.0m。

4 结语

本文通过数值模拟，针对具有近水平层理和竖向节理的隧道，研究了隧道锚杆的环向布置范围、环向间距和锚杆长度等三种主要设计参数对围岩支护效果的影响，并对支护参数进行合理的优化：

1)锚杆环向布置范围处于60°～90°区间时，随着锚杆环向布置范围的增大，拱顶沉降值与围岩松动范围快速减小，大于90°时，随着锚杆环向布置范围增大，围岩变形区域和最大沉降值减小并不明显。所以，建议锚杆环向布置范围取值90°；

2)锚杆环向间距处于1.5m～1.0m区间时，随着锚杆环向间距的减小，拱顶沉降值与围岩松动范围均发生较大幅度的减小，而间距小于1.0m时，随着锚杆间距增大，围岩变形降低并不明显。所以，建议锚杆环向间距取值1.0m。

[1]陈国柱，段群苗.节理特征对隧道变形影响的数值模拟研究.现代隧道技术，2012(sup)：89-93.

[2]李 军,吴惠卿,王彦杰，等.节理特征和围岩支护对隧道变形的影响分析.施工技术,2013(3):82-86.

[3]陈国柱.节理对隧道变形的影响研究.上海：同济大学，2012.

[4]索超峰，石益东，李 军.节理特征对破碎围岩稳定影响的模型试验.公路交通科技，2013，30(4)：83-87.

[5]蒋 坤.节理岩体中特大断面小净距隧道围岩稳定性研究.上海：同济大学，2010.

Parametersoptimizationofboltingforjointedrocktunnel

YouGuiliang

(Tongji University, Shanghai 200092, China)

RelyingonYaogoutunnelofInnerMongolia,byusingdiscreteelementsoftwareUDEC,tostudyontheeffectofcircumferentialinstallationrangeandcircumferentialspacingoftheboltsondeformationandstabilityofthetunnelstructure,furthertooptimizetheparametersofbolts.Changedthedesignparametersoftheoriginalbolts——circumferentialinstallationrange216°,circumferentialspacing1.0m,tocircumferentialinstallationrange90°,circumferentialspacing1.0m,provedtherationalityandhavingacertainreferencevaluetothesimilarengineering.

joint,systematicbolts,parameteroptimization,discreteelementsoftware

1009-6825(2015)01-0165-03

2014-10-28

游贵良(1987- )，男，在读硕士

U

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