地质顺层偏压隧道锚杆支护参数优化及施工技术研究

杨晓辉

(中铁十二局集团第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

地质顺层偏压隧道是指当隧道穿越倾斜层状结构岩体时，由于各个分层之间节理、结构面的存在，围岩自稳能力差。受隧道开挖扰动空间效应影响，围岩可能随软弱结构面滑动，从而导致围岩应力分布和变形呈非对称特征，支护结构承受非对称的偏压荷载[1]。目前的隧道支护设计均基于新奥法，根据围岩级别进行支护参数的选取，锚杆一般采用全断面均匀设计，这种设计方法虽然能够保证施工的安全，但会造成极大的人工和材料浪费。

韩昌瑞等[2]推导了层状岩体各向异性弹性模量的表达式，并嵌入到FLAC3D中，模拟隧道开挖过程中洞周塑性区和锚杆轴力分布特征。He等[3]利用离散元软件UDEC，分析了不同岩层角度对应力分布的影响和隧道破坏模式，提出了锚杆与岩层的合理夹角。张建智等[4]推导了层状围岩隧道Airy应力弹性函数解析式，分析了顺层地质偏压条件下隧道洞周应力集中程度。刘科[5]建立了Phase2D有限元数值模型，研究层状结构面倾角、间距对隧道稳定性影响，为锚杆支护设计提供依据。裴晓彤等[6]利用有限元软件ABAQUS，建立节理软弱结构面的二维隧道模型，分析了地质偏压隧道的围岩压力及衬砌结构内力，以及结构面摩擦效应。王永春[7]以勐远隧道极软岩施工为研究对象，参考超前地质预报及监控量测数据，优化支护参数控制洞周非对称大变形。戚祥昌[8]建立了基于顺层偏压现场监测数据的分析方法，实现了复杂地质环境下大断面隧道动态修建，即边设计、边施工。庞建军等[9]采用有限元数值模拟，研究层状岩体结构面产状与隧道轴线三维相对关系，以及对隧道非对称变形的影响。王乐平[10]分析了现场隧道变形的空间特点，发现顺层偏压隧道拱脚处围岩压力最大、拱腰处钢拱架弯矩最大，给出了隧道围岩的非连续变形特点。牛奔[11]采用MIDAS/GTS软件，分别研究地质构造偏压隧道在不同的全断面法、上下台阶法施工时的变形全过程，并给出相应施工对策。

现阶段对地质顺层偏压隧道的围岩应力分布、围岩变形和支护结构承受荷载的特征研究较多，但针对隧道非对称变形和偏压荷载的支护设计优化应用研究较少。不同围岩等级和地质构造下锚杆的作用机理是不同的，现有数值模拟多采用有限元软件或有限差分的方法，但有限元和有限差分方法主要是针对连续体、小变形，而层状节理围岩结构为非连续体，在隧道开挖后顺层围岩各层可能出现一定滑动，采用有限元分析显然与实际有一定差距。因此，本文结合大坡岭隧道出口左线围岩、节理特征，考虑层状围岩倾角造成隧道偏压现象，利用离散元程序UDEC建立数值计算模型，设计6种数值计算工况，分析地质顺层偏压隧道围岩变形和支护结构受力特点，对原支护设计方案进行了优化，为今后类似隧道的设计、施工提供借鉴和参考。

2 工程背景

2.1 隧道概况

武汉至十堰高速铁路是中国“八纵八横”高速铁路网中部地区与西北地区间的便捷联系通道，大坡岭隧道位于湖北省襄阳市谷城县境内，线路近西北走向约320°～350°。Ⅳ级围岩，现场是中风化泥质粉砂岩为主，单块岩石抗压强度较高，锤击声较清脆，属较坚硬岩，围岩节理裂隙较发育，岩体较破碎，整体围岩稳定性较差，不能自稳。中风化岩体节理微张-闭合为主，节理面泥质填充为主或局部砂质填充，结构面结合程度差至一般，岩体现场照片如图1所示。通过现场量测，岩层倾斜角度为65°。

图1 大坡岭隧道掌子面泥质粉砂岩节理发育岩体

2.2 原设计支护参数

该段设计采用Ⅳ型结构，原设计为:φ22药卷系统锚杆，长度为3.0 m，间距为100 cm×120 cm。

3 地质顺层偏压隧道数值模拟

3.1 离散元数值模拟计算模型

数值模拟采用离散元UDEC程序，可以模拟节理岩体的剪切滑移破坏和结构面的张开过程，能够较真实反映节理岩体隧道的失稳模式，其中的锚杆单元能够体现其支护效果。该程序有其独特的优点，在岩土工程领域具有较好的应用前景。

参考大坡岭隧道出口左线，里程ZK11＋888，隧道埋深76.9 m，层状围岩倾角为65°。节理间距0.4 m，离散元数值模拟横向为100 m，下边界至隧道仰拱35 m，上边界取至地表，左右边界和下边界均采用位移约束，计算模型如图2所示。

图2 地质顺层偏压隧道围岩锚杆数值模型

根据地质勘察报告和铁路隧道设计规范[12]，岩块和节理参数如表1、表2所示。

表1 岩块物理力学参数

表2 节理面参数取值

3.2 计算工况

锚杆从内部加固围岩，有效提高围岩粘聚力、摩擦角和刚度，最终改善其稳定性。在目前的建设工程中，锚杆得到广泛的成功应用，但其合理布置形式和长度仍然不清楚。针对目前的Ⅳ级围岩，进行锚杆支护参数优化，并提出合理设计方案。地质顺层偏压Ⅳ级围岩锚杆计算工况如表3所示。限于篇幅，这里仅给出工况1和工况4的锚杆分布，如图3所示。

表3 地质顺层偏压隧道锚杆计算工况

图3 地质顺层偏压隧道锚杆打设示意(单位：cm)

3.3 计算结果

(1)围岩应力

隧道开挖强卸荷引起一定范围内围岩应力释放和转移，顺层偏压岩层层面之间发生相对滑动，不同锚杆施工方案下，主应力分布不同。限于篇幅，这里仅给出工况1和工况4主应力重分布特征，如图4所示。

从图4看出，节理面影响着主应力分布形式，在地质偏压条件下，主应力呈现不对称分布。锚杆施加后，改变了主应力的大小和方向，最大主应力和最小主应力方向不再是切向和径向。节理面相对岩块来说参数要低得多，应力在与不连续面平行方向应力释放，分布较均匀，岩体松弛明显，甚至出现了拉应力。在节理面附近发生应力集中，且分布不均匀。因此，地质结构产状与围岩受力直接相关。各层岩体相当于独立承载的悬臂梁，由于层状岩体的抗弯能力不强，不能承受或只能承受较小的应力，容易发生弯折破坏，容易使结构面产生剪切滑移或张开。对于倾斜层状围岩(岩层倾角65°)在隧道开挖后，节理面从根本上改变了围岩应力分布，采用不同的锚杆支护方案，不仅会影响主应力的方向，也会影响其大小，最大主应力和最小主应力方向不再是切向和径向。

图4 隧道围岩主应力分布特征

顺层地质偏压条件下，隧道左拱肩和右墙脚部位应力明显大于对称部位应力，因而造成了非对称性(见图4)，不同锚杆工况下地质偏压隧道主应力如图5所示。

图5 地质顺层偏压隧道主应力与锚杆工况关系曲线

从图5看出，工况6(不打锚杆)容易导致围岩应力集中，影响其稳定性。工况4和工况5围岩应力控制效应基本一致，从安全和经济的角度，并且具有一定的安全储备，建议锚杆支护采用工况4。

(2)位移影响

位移作为最直观的监控量测结果，具有很强的可操作性，因此，常常当成围岩稳定性评判标准。不同锚杆施工方案下，地质顺层偏压地层围岩位移矢量分布如图6所示。

图6 地质顺层偏压隧道围岩位移矢量(单位：m)

从图6中可以看出，开挖使得隧道上部围岩失去支撑，而结构面参数较弱，沿节理面剪切滑移较大，产生向洞内位移。最大的位移发生在右拱肩和左拱脚，具有明显不对称性，峰值达9.8 mm。对于倾向岩层，沿着倾斜的一方，易造成岩块滑移，位移大大增加，甚至斜顶鼓起，破坏模式表现为节理面滑移。根据地质顺层地段偏压隧道围岩位移的分布特点，可考虑采用不对称的锚杆支护设计，如增加左侧锚杆长度和范围，右侧采用较小的长度和范围，以提高层状地质偏压结构的安全性和强度。

对不同锚杆支护方案的围岩变形进行分区处理，不同变形梯度区域面积与锚杆工况的关系如图7所示。

图7 地质顺层偏压隧道围岩扰动区面积

从图7中看出，锚杆可以有效地减小围岩扰动范围，对于洞周有滑动危险的岩块产生了销钉作用。锚杆是唯一从内部补强围岩手段，提高裂隙围岩抗剪强度，改善围岩的物性指标，将一些不连续的岩块联系在一起。从锚杆作用“增强节理面抗变形能力和抗剪切强度”、“提高节理面法向刚度和剪切刚度效果”两方面着手减小节理面间剪切滑移，从而增强其稳定性。工况6(不打锚杆)容易导致围岩失稳，变形较大。工况4和工况5围岩应力控制效应基本一致，从安全和经济角度，建议工况4的方案(有利侧60°范围3 m锚杆；不利侧30°范围2.5 m锚杆)。锚杆主要起提高节理面法向刚度和剪切刚度效果，从而增强节理面的抗变形能力和抗剪切强度，减小节理面间剪切滑移。

(3)锚杆轴力

锚杆轴力把松动岩块稳固(悬吊)在稳定岩层上，防止破碎岩块、冒落；使破碎岩体具有完整性，因而增强锚固区围岩土体强度(如弹性模量E、凝聚力c等)，不同布锚方案下，锚杆轴力分布形式如图8所示。

图8 地质顺层偏压隧道锚杆轴力(单位：N)

地质顺层偏压的存在，形成一个高密度的偏压荷载，总体隧道两侧锚杆轴力差值增大，而且左侧明显大于右侧，岩层顺弱势节理面滑动趋势增大，洞周破坏主要取决于节理面强度。通过锚杆轴向拉作用，使得各分层在发生整体弯曲，表现出组合梁，提高节理岩体的刚度和强度。从图8看出，左侧锚杆轴力普遍大于右侧，锚杆的拱部偏左(与节理面成大角度相交)，才能发挥锚杆的锚固效果，而右侧(有利侧)锚杆效果相对较差。在施工条件允许的条件下，锚杆打设方向尽量与节理垂直。

(4)初期支护内力

地质顺层偏压隧道在锚杆工况4(有利侧60°范围3 m锚杆；不利侧30°范围2.5 m锚杆)，初期支护轴力计算结果如图9所示。

图9 非对称锚杆支护隧道初期支护轴力(单位：N)

从图9看出，地质偏压的存在，导致初期支护结构非对称受力，其中左侧主要承受弯矩、轴力较小；右侧承受压力为主。但是整个初期支护轴力较小，锚杆工况4条件下隧道安全。

综合围岩位移、应力分布和锚杆轴力分析结果，从经济和安全的角度出发，建议工况4的方案(有利侧60°范围3 m锚杆；不利侧30°范围2.5 m锚杆)，如图3b所示。即，φ22药卷局部锚杆，拱部不利侧60°范围，长度为3.0 m；有利侧30°范围，长度为2.5 m，间距为100 cm×120 cm，节约钢筋57.6%。

4 结论

结合武汉至十堰高速铁路大坡岭隧道地质顺层偏压的特点，在现场掌子面结构面信息量测的基础上，开展离散元数值模拟，分析不同锚杆支护方案条件下围岩应力分布、非连续变形。

(1)通过现场量测，获得大坡岭隧道倾斜层状围岩倾角65°，在隧道开挖后，节理面从根本上改变了围岩应力分布。各层岩体均相当于独立的处于受弯剪状态悬臂梁，抗弯能力不强，容易发生弯折破坏，使结构面产生剪切滑移或张开。

(2)顺层偏压隧道受力状态与结构面产状关系，最大主应力和最小主应力发生在节理面附近。从锚杆受力机理看，相当于提高结构面的剪切刚度，控制开挖过程中，岩体顺节理面的剪切。

(3)结合大坡岭隧道顺层偏压工程特点，进行了隧道锚喷支护参数优化，结果表明仅保留隧道左侧拱顶60°范围内锚杆(锚杆长度3 m)和右侧30°范围内锚杆(锚杆长度2.5 m)的非对称支护模式，虽然相比全断面均匀支护形式围岩变形有少量增加，但最终趋于稳定，能够保证隧道施工期间的稳定性，可节约钢筋50%以上。

(4)由于地质顺层偏压的存在，隧道左侧锚杆轴力值明显大于右侧，锚杆支护在拱部偏左，且与节理面成大角度相交，才能发挥锚杆的锚固效果，而右侧(有利侧)锚杆效果相对较差，锚杆打设方向尽量与节理垂直，或大角度相交。