锁脚锚杆在软弱地层隧道中围岩变形控制的研究

王允偲，黄晓东，张 轩，兀 森，曹 宇

(1.西安工业大学建筑工程学院，陕西 西安 710021；2.陕西路桥集团第一工程有限公司，陕西 西安 710000)

1 引言

我国山岭众多，随着公共交通事业的快速发展，隧道成为了节约施工成本的重要手段。由于地质条件复杂，隧道往往是交通建设项目中的控制性工程[1]。新奥法是我国隧道施工中最常用的方法，利用初期支护结构与围岩自身共同承担围岩压力。当隧道在围岩性质较好的地层中开挖时，系统锚杆能够发挥巨大的作用。但是，近年来越来越多的隧道在围岩性质较差的地层中开挖，特别是在软弱围岩地层中开挖，系统锚杆的作用变得不明显，导致隧道发生侵限、塌方等工程事故，威胁人身及财产安全。

邹育麟[2]等发现在破碎千枚岩中开挖隧道时，系统锚杆的作用大大减弱。认为在破碎千枚岩地层中安装系统锚杆会加深对围岩的扰动，同时会延误喷射混凝土和架设钢支撑，导致围岩发生大变形。孙钧等[3]认为在软弱围岩隧道发生大变形时，系统锚杆无法有效控制围岩变形，采用让压锚杆替代系统锚杆，更有利于隧道的稳定性。陈建勋等[4]发现在黄土隧道中，系统锚杆的作用可以忽略不计，因而提出了取消系统锚杆，增设锁脚锚杆来维护隧道的结构稳定。郭小红[5]和邓斌等[6]发现系统锚杆的作用随着地质条件的变差而逐渐降低，提出了“弱化”系统锚杆，加强支护刚度，增设锁脚锚杆等措施。综上可知，隧道在围岩性质较差的岩层中开挖时，系统锚杆的作用随着围岩性质的降低而逐渐降低。

本文基于系统锚杆与锁脚锚杆的作用机理，利用数值模拟软件，探究使用系统锚杆与锁脚锚杆的初期支护体系在软弱围岩隧道中的作用，分析相同施工条件下两种锚杆对隧道稳定性的影响。

2 初期支护形式

2.1 钢拱架+喷砼+系统锚杆支护体系

在软弱围岩地层中开挖隧道时，常见的初期支护体系为钢拱架+喷砼+系统锚杆，即软弱地层隧道开挖，立即喷射砼，避免围岩暴露在空气中，然后按照设计图钻孔并安装系统锚杆，之后架设钢拱架，最后喷射砼至设计厚度。在围岩性质较好的地层中开挖隧道时，系统锚杆在初期支护中起到改善围岩受力状态和控制围岩变形的作用。通常认为，锚杆在安装后会与岩体融为一体，改善围岩的受力状态，进而实现保证隧道稳定性的目的。其中，系统锚杆的加固效应主要体现在悬吊效应、增强效应、成拱效应和内压效应四个方面[7]。在不同的环境下，系统锚杆的作用并不完全相同。但隧道在围岩性质较好的地层中开挖时，锚杆对维护隧道稳定起到了重要的作用。

但近年来，随着公共交通事业的不断发展，越来越多的隧道需要在软弱围岩中开挖。软弱围岩性质较差，开挖后的松动圈范围较大，常常超过系统锚杆的长度，使得系统锚杆的支护作用并不明显，导致隧道在初期支护后仍有较大的变形。

2.2 钢拱架+喷砼+锁脚锚杆支护体系

在软弱围岩地层中开挖隧道时，由于岩性较差，开挖后的松动圈范围较大，系统锚杆的作用变得不明显，传统的钢拱架+喷砼+系统锚杆的初期支护无法有效控制围岩变形。在软弱围岩中开挖隧道时，通常采用台阶法施工，上台阶的断面开挖后，立即架设钢拱架，上台阶安装钢拱架后，钢拱架会在下一步的台阶开挖时，处于临空状态，没有支撑受力点，丧失支护能力，无法处于支护围岩，自行塌落或随围岩发生位移，造成施工病害。近年来，锁脚锚杆在工程中被广泛使用，在软弱围岩地层中开挖隧道采用钢拱架+喷射混凝土+锁脚锚杆的初期支护形式。锁脚锚杆为钢拱架提供一个支撑点，保证拱架牢牢固定在围岩上，使钢架在下一阶段开挖时处于稳定状态。因此，锁脚锚杆不仅受到径向力的左右，还因为受到钢拱架的压力支撑产生了竖向力和弯矩。

锁脚锚杆由于其简单易行、经济、效果明显，大大地提高了施工效率，省去了其他辅助施工措施，节约了人力、物力[8]。大量工程实践表明，大断面隧道在软岩隧道中开挖时，架设锁脚锚杆能够预防下台阶开挖引起的钢拱架悬空，能够有效控制隧道开挖后的围岩变形。因此，锁脚锚杆在软弱围岩隧道的施工中得到了广泛的运用。

图1 钢拱架+喷砼+系统锚杆支护体系

图2 钢拱架+喷砼+锁脚锚杆支护体系

3 支护受力的分析

3.1 工程概况

某公路隧道为软弱围岩隧道，隧道净宽11.77 m，净高8.80 m，拱墙部分内半径R=6.05 m，仰拱部分内半径R=17.0 m。围岩的力学参数与支护参数见表1。

表1 围岩与支护结构力学参数

隧道设计的初期支护为系统锚杆+钢拱架+喷射混凝土的方式。由于实际施工中的围岩变形较大，拟采用锁脚锚杆代替系统锚杆进行初期支护。具体支护参数见表2。

表2 支护形式分析

3.2 数值模拟分析

用Midas GTS软件分别建立钢拱架+喷射混凝土+系统锚杆的支护体系(工况1)和钢拱架+喷射混凝土+锁脚锚杆的支护体系(工况2)下的数值计算模型。在系统锚杆支护体系中，锚杆采用全断面布设，每个断面有21根； 锁脚锚杆支护体系中，分别在上、中和下台阶钢拱架拱脚处斜向下45°布置锁脚锚杆，每个断面有6根。模型开始运行前，在拱顶处预设沉降关键监测点，见图3。

(a)钢拱架+喷砼+系统锚杆支护

提取两种工况下隧道拱顶关键点的位移，对围岩的变形结果进行分析，结果见表3。

表3 围岩变形数值模拟结果

由表3可以看出，在采用钢拱架+喷砼+锁脚锚杆的初期支护中，隧道拱顶的下沉量小于采用系统锚杆时，在围岩稳定性方面，当用锁脚锚杆替代系统锚杆后，围岩的变形量减少。从经济的角度出发，同一断面内，锁脚锚杆的数量远远小于系统锚杆，这不仅节省了购买锚杆的费用，还节约了时间，有利于隧道快速开挖。由此可以认为，在软弱围岩地层中开挖隧道，利用锁脚锚杆替代系统锚杆进行初期支护是可行的。

4 结论

通过对两种初期支护的支护原理进行分析，并依托软弱围岩隧道，利用数值模拟，分析了采用不同锚杆的初期支护对隧道稳定性的影响，获得的主要结论：

(1)从控制围岩变形的角度来看，在软弱围岩地层中开挖隧道时，使用锁脚锚杆替代系统锚杆，围岩的变形量减少，隧道的稳定性增强。在软弱围岩地层中开挖隧道，利用用锁脚锚杆替代系统锚杆，有利于维护隧道的稳定性。

(2)从节约施工成本的角度来看，使用锁脚锚杆替代系统锚杆后，支护效果较好，并且使用的锚杆数量明显减少，节省了隧道支护的材料成本。同时，由于锚杆数量减少，钻孔的数量也随之减少，加快了隧道的施工，降低了施工成本。