公路隧道围岩锚杆支护优化研究

柳越文

摘要：文章结合隧道施工经验，针对Ⅲ、Ⅳ级围岩建立三维离散元模型，对Ⅲ、Ⅳ级围岩不同系统锚杆使用方式进行模拟计算，分析隧道围岩不同锚杆参数下的稳定性，以达到优化围岩锚杆支护方式的目的，并通过现场监控测量数据分析验证了优化效果。

关键词：公路隧道工程;三维离散元;支护体系;模拟分析

中国分类号：U455.7文章标识码：A230856

0 引言

我国是个幅员辽阔且多山的国家，公路的建设离不开隧道的建设，随着公路里程数的增长，使得我国交通建设行业得到迅猛的发展趋势，施工技术与施工设备也有了很大的革新，隧道工程的建设也达到了空前规模[1]。隧道工程的发展推动了公路隧道理论设计的不断进步，将实际工程与理论设计结合运用到隧道工程上，为项目带来更好的经济效益，已成为行业努力的最终目标。目前，锚杆支护技术是隧道工程项目较为常用的施工技术，但对锚杆支护的理论研究仍然不足，多以理论和经验结合辅助工程，很难做到工程支护细化，容易造成材料的浪费。本文通过结合贺州至巴马高速公路（都安至巴马段）弄拉隧道、伏龙隧道工程实践，研究环向锚杆在不同围岩等级中的合理布置情况。

1 Ⅲ[HT《汉仪中黑简》]级围岩锚杆支护优化研究

本项目大部分隧道穿越断层破碎带、岩溶区、浅埋岩堆区、水平岩层区、高应力区及高富水区等不良地质段，施工风险高难度大。而隧道工程最基础性的工作就是对隧道围岩级别的判定，这也是隧道工程的一项综合性指标，因此围岩等级应按照工程要求将相对应的地质条件进行等级划分，才能使隧道安全性提高及进行资金的合理利用。

1.1 Ⅲ级围岩开挖方法与模型的建立

弄拉隧道为Ⅲ级围岩隧道，隧道开挖方法如下页图1所示。实际工程中锚杆按照三维布置，掌子面大多数也存在结构面。本文将通過三维离散元软件对隧道进行模拟计算[2]，原因是其他有限元等软件不能考虑岩体节理裂隙所引起的各向异性破坏情况与各向异性变形。为此结合试验段Ⅲ级围岩图纸进行三维模型的建立，通过提供不同锚杆数量的方式，来得到系统锚杆最佳的使用方法。考虑到边界效应和隧道埋深对隧道围岩的影响，以及隧道开挖时仅对隧道洞室周边的围岩有影响，一般选取洞深的3～5倍进行开挖并建立计算模型。

1.2 Ⅲ级围岩系统锚杆优化模拟研究

系统锚杆的布置所采用的工程类比法可能会具有盲目性，因此提出全断面保留系统锚杆与拱顶范围内保留系统锚杆（方案二）、拱脚与拱腰处保留系统锚杆（方案三）、只使用初期支护（方案四）三种优化方案进行建模分析。通过围岩的各项研究对比，得到系统锚杆在Ⅲ级围岩中起到的作用如下：

（1）通过收集原方案与三种优化方案下Ⅲ级围岩的水平位移与竖向位移应力云图数据，得到围岩左右收敛与拱顶沉降最大数值，如表1所示。

由表1可知，方案三与方案四对比，顶部保留系统锚杆会造成拱顶沉降变大，说明锚杆会造成顶部围岩的扰动，不利于使用;原方案与方案二对比，拱顶保留系统锚杆会增加拱顶的沉降，但不能达到预期的效果，不利于使用;原方案、方案三、方案四与方案二对比，平均收敛有小幅度的减小，效果不明显，但能说明拱脚与拱腰处保留系统锚杆可以加强稳定效果。

（2）通过收集原方案与三种优化方案的最大、最小主应力的应力云图数据得到，这四种方案围岩最大主应力为15.48～15.5 MPa，最小主应力为5.84～5.85 MPa，可知原方案与三种优化方案布置的锚杆对围岩应力仅有细微影响，且方案四无系统锚杆时的应力为5.84 MPa，所以布置锚杆只能略微地改善应力大小。

（3）通过收集原方案与三种优化方案系统锚杆轴力云图数据得到，锚杆穿过结构面时会产生较大拉力，并且随着锚杆长度增长而发生变化。其中方案二最大受力部位位于左拱脚、右拱脚（最大受力为103.07 MPa），原方案与方案三最大受力部位在右拱肩（最大受力分别为100.81 MPa、101.62 MPa），可知锚杆穿过结构面时左拱脚、右拱脚与拱肩受力会较为明显，但是锚杆轴力对Ⅲ级围岩支护起不到明显作用。

（4）通过收集原方案与三种优化方案初期支护混凝土第三主应力云图数据得到，这四种方案最大压应力为39.986～40.550 MPa，最大拉应力为3.030～3.221 MPa，可知在各种方案下隧道混凝土压应力都有明显的增大，表明初期支护混凝土承担支护作用的效果不明显。初期支护混凝土很容易在左拱肩、右拱肩以及拱脚处产生应力集中，且锚杆不能改善混凝土的受力情况，所以初期喷射混凝土时需加强喷射的质量。

（5）隧道塑性区范围

通过收集原方案与三种优化方案塑性区范围3DEC模拟云图数据得到，仅有底部变形的面积较大，其余单元的体积没有明显变化。这证明减少锚杆或者取消锚杆对隧道围岩塑性区造成的影响很小。

2 Ⅳ[HT《汉仪中黑简》]级围岩锚杆支护优化研究

2.1 Ⅳ级围岩开挖方法与模型的建立

伏龙隧道为Ⅳ3级围岩隧道，隧道开挖方法如图2所示。结合试验段Ⅳ级围岩图纸进行三维模型的建立，通过提供不同锚杆数量的方式，得到系统锚杆最佳的使用方法。隧道开挖方式与Ⅲ级围岩相同，只选取洞深的3～5倍进行开挖并建立计算模型。

2.2 Ⅳ级围岩系统锚杆优化模拟研究

系统锚杆的布置所采用的工程类比法可能会具有盲目性，因此通过设计全断面保留系统锚杆及只保留左侧与节理夹角较大的系统锚杆（方案二）、仅使用初期支护混凝土与拱架（方案三）两种优化方案进行建模分析。研究对比得到系统锚杆在Ⅳ级围岩中起到的作用如下：

（1）通过收集到的围岩的水平位移与竖向位移应力云图数据得到，围岩左右收敛与拱顶沉降最大数值，如表2所示。

由表2方案三与原方案、方案二对比可知，设置顶部锚杆能减小拱顶的沉降量与拱底隆起，设置拱腰锚杆能减小左右收敛最大值，表明锚杆能有效地控制顶部沉降与拱底隆起，也能有效地控制水平收敛，且效果都很明显。因此，原方案拱顶处设置锚杆能减小拱顶沉降，但效果不明显，而适当布置方案二锚杆的数量，可以控制围岩位移方面的问题，故方案二布置锚杆的形式取得了预期的效果。

（2）通过收集三种方案的最大、最小主应力的应力云图数据得到，三种方案围岩受到的最大主应力均为7 MPa，最小主应力为0.201～0.212 MPa，可知全面布置锚杆的围岩受到的主应力变化幅度略微，不能起到改善围岩主应力的作用，证明采用过多的锚杆也不会有很好的效果，应适当减少锚杆的使用数量。

（3）通过收集系统锚杆轴力云图数据得到，随着长度的变化，所有锚杆的轴力都发生变化，右侧锚杆的受力要小于左侧锚杆，且均受拉力作用并符合受力特性。原方案中右侧拱肩至拱脚处锚杆的受力较小，证明这部分的锚杆很难起到加固的作用，而左側拱肩至左右拱脚处锚杆的受力则较大，特别是与结构面接触的位置;方案二的锚杆轴力有略微的增加，幅度不大，但是也在锚杆受力适用范围内，可用注浆小导管替换少部分受力较大的部分。这证明方案二符合施工要求，因此要适当减少锚杆的使用数量。

（4）通过收集三种方案初期支护混凝土第三主应力云图数据得到，三种方案最大压应力为49.414～58.820 MPa，最大拉应力为6.900～7.960 MPa，可知在各种方案下隧道混凝土压应力都有明显的增大，表明初期支护混凝土主要承担支护作用且效果明显。但是初期支护混凝土容易在左拱脚、右拱脚及台阶分界处有应力集中，所以初期喷射混凝土时需加强喷射的质量。其中锚杆对混凝土仅造成了微弱的影响，效果并不明显，因此可以适当取消锚杆的使用数量。

2.3 Ⅳ围岩锁脚锚杆数值模拟分析

如今隧道工程中锁脚锚杆已经起到了不可替代的作用，为此本文通过模拟实际项目工程伏龙隧道的Ⅳ3级围岩条件下合理的下插角度与打设长度，得到最佳的锁脚锚杆支护参数。本隧道锁脚锚杆设计及方案如表3所示。

2.3.1 插入角围岩竖向位移分析

由于竖向位移可以反映拱部围岩稳定性，通过收集4.5 m锁脚锚杆下插长度围岩竖向位移应力云图数据，绘制拱顶沉降与下插角度、锚杆长度的关系曲线图（图3、图4）。由图3可知，拱顶沉降最大出现在锁脚锚杆刚插入时，表明锁脚锚杆对拱顶沉降有一定的影响;下插角度为15°时下沉大幅度减小，35°时沉降略微增加，45°时几乎不增加，故锚杆插入角度对拱顶沉降起到重要的作用。由图4可知，锚杆4.5～5.5 m的控制下沉量没有3.5～4.5 m效果好，证明适当增加锚杆长度可以很好地控制拱顶下沉量，但过长会引起下沉增加。

2.3.2插入角围岩水平位移分析

由于竖向位移可以反映对隧道边墙的收敛效果，通过收集4.5 m锁脚锚杆下插长度围岩水平位移应力云图数据，绘制左右边墙收敛与下插角度、锚杆长度的关系曲线图（图5、图6）。由图5、图6可知，锁脚锚杆下插角度与左右边墙收敛有一定的关系，且左边墙效果大于右边墙，左边墙0°～15°与右边墙0°～30°均有较好控制收敛的效果;锁脚锚杆长度与边墙收敛也有一定的关系，左右边墙均在3.5～4.5 m处有很好的控制效果。因此，将锁脚锚杆与节理面设置一定的插入角度，能更好地控制围岩的变形，且要保证锚杆的一定长度才能保护经济效益与支护效果。

2.3.3 锁脚锚杆轴力分析

锁脚锚杆的作用只能通过锁脚锚杆轴力分析得到，又由于众多工况规律相似，通过收集4.5 m锁脚锚杆不同插入角度的轴力云图数据，可知锚杆受拉力起到了固定的效果，根据下插角度的变化锚杆轴力波动变化较大。当0°～15°插入时，左右两边的锚杆受力较大，且随着角度的增大轴力减小;下台阶锚杆受力明显大于上台阶锚杆受力，所以在台阶法开挖仰拱时要保证下台阶锁脚锚杆的质量，才能保证钢拱架的稳定;锚杆位置不同其轴力情况也不同，其末端的受力较小，接近临空面的受力较大。

3 现场监控测量数据分析

现场监控作为隧道实验阶段的一个非常重要的环节，是新奥法的主要内容，也是新奥法设计与施工的重要组成部分。

3.1 监测内容与方法

根据现场监测数据分析，得到具体监测项目内容如表4所示。

通过不同围岩等级制定检测方法，如表5所示。

3.2 Ⅲ级围岩数据监测分析

（1）Ⅲ级围岩试验阶段不采用系统锚杆，而换成混凝土、钢筋网片来进行初期支护。将Ⅲ级围岩试验段拱顶沉降与水平收敛的位移随时间变化的数据绘制成图（图7），可知第15 d位移增长迅速，最大值为4.7 mm，一个月后增长到4.8 mm，监测结束时围岩沉降与收敛速率都降低了，并符合规范的要求。这表明隧道处于稳定，此方案可行。

（2）收集Ⅲ级围岩拱顶、左右拱肩、左右拱脚混凝土应力随日期变化数据绘制成图（图8），可知混凝土在初期支护中起到了主要的作用;掌子面受力情况与压力盒的布设有关，右侧的受力明显大于左侧受力，右侧拱脚、拱肩应力计埋设点与节理面接近;混凝土受力较大，最大位置为拱脚处，最小位置为拱顶，并处于应力规范允许范围内，且现场也未发现混凝土掉落与裂开的情况，在Ⅲ级围岩中去除设立锚杆是可行的。

3.3 Ⅳ级围岩数据监测分析

（1）在Ⅳ级围岩试验段中，仅将系统锚杆布置于与节理夹角较大的区域，采用15°下插角度的4.5 m的锁脚锚杆进行施工。通过分析选取一段掌子面拱顶沉降与水平收敛的位移随时间变化的数据绘制成图（图9），可知拱顶沉降与拱腰收敛均在20 d以后达到稳定，经过一个月后基于稳定。由于此工程为上下台阶法施工，因此拱脚收敛数据收集较慢，且经过20 d后趋于稳定。进行下导开挖围岩的位移增长会持续增加，此时不及时采取措施会造成隧道变形增大。监测结束时围岩沉降与收敛速率都降低了，并符合规范的要求，隧道也处于稳定状态，控制隧道变形方面的优化方案切实可行。

（2）收集Ⅳ级围岩拱顶、左右拱肩、左右拱脚混凝土应力随日期变化的数据绘制成图（图10），可知混凝土在初期支护中起到了主要的作用，应力比Ⅲ级围岩有所提升。拱肩受力最大，拱顶受力最小，应力值在允许范围内，且现场也未发现混凝土掉落与裂开的情况，证明优化方案可行。

（3）收集Ⅳ级围岩掌子面初支钢拱架应力随日期变化的数据绘制成图（下页图11），可知钢拱架应力总体在一周后增长较快，15 d后处于稳定，受力分布较为均匀。由于隧道开挖后应力重分布导致拱脚、拱腰受力较大，钢拱架也承担一部分力，并随着应力重分布逐渐处于稳定状态后，钢架受力也渐渐趋于稳定，且钢拱架的应力没有超过材料允许应力，故方案可行。

4 结语

锚杆支护是新奥法施工支护结构中最重要的结构，锚杆参数的正确选择是隧道施工的重点难题。本文结合贺州至巴马高速公路（都安至巴马段）弄拉隧道、伏龙隧道工程实践，选择试验段Ⅲ级、Ⅳ级围岩的掌子面，运用三维离散元软件对隧道进行模拟计算，分析隧道围岩不同锚杆参数下的稳定性，并将最佳的方式应用于现场施工后，取得了很好的效果，得出以下结论：

（1）采用全断面法开挖Ⅲ級围岩，针对系统锚杆选取包括原设计方案在内的四种锚杆布置方式的工况下，观察围岩左右收敛、拱顶沉降、主应力、轴力、压应力与塑性区范围情况，可知取消锚杆后对隧道整体稳定性没有太大的影响，所以在此试验段可以取消锚杆的使用，只进行初期支护混凝土喷射，但初期支护混凝土容易在左、右拱肩及拱脚处产生应力集中，可以通过增强初期喷射混凝土的质量来达到效果。

（2）采用上下台阶法开挖Ⅳ级围岩，针对系统锚杆选取包括原设计方案在内的四种锚杆布置方式的工况下，观察围岩左右收敛、拱顶沉降、锚杆轴力与主应力情况，可知锚杆对围岩整体稳定不会有很好的效果，所以应适当减少锚杆的使用数量，才能实现经济效益最大化;针对锁脚锚杆对插入角围岩竖向位移、插入角围岩水平位移、锁脚锚杆的轴力情况分析，得到控制位移最好的效果为插入角度15°时，支护效果最佳为锚杆4.5 m时。根据上下台阶施工特性，为了保证下台阶施工的质量，可在必要时改为注浆导管施工。

（3）通过对Ⅲ、Ⅳ级围岩中锚杆使用的优化方案数据监测分析，结果表明混凝土与钢架受力大、位移小，均在正常范围内，并起到了主要的支护作用。通过此方法验证了优化方案能保障隧道的施工安全。

参考文献：

[1]石井兵，韩文杰.浅谈有无必要在隧道软弱围岩中设置系统锚杆[J].商品与质量：建筑与发展，2012（3）：87-88.

[2]蒋树屏.隧道围岩中系统锚杆支护效果的研究[A].岩石力学在工程中的应用[C].第二次全国岩石力学与工程学术会议论文集，1989.