水平砂泥岩隧道锚杆支护变形和受力特性研究

张帅军， 种玉配， 齐燕军， 刘书奎

(1.中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院， 广东 广州 511400； 2.中国矿业大学 力学与土木工程学院)

隧道开挖导致应力重分布，容易致使隧道围岩发生变形和破坏。水平层状岩体是隧道施工过程中常见的一种地质情况，层面和节理的存在使得围岩的不连续性和各向异性十分显著，同时使得隧道围岩破坏具有比较特殊的形态，例如拱部平拱、拱顶弯折和离层。锚杆支护是目前隧道施工过程中一种比较常见的支护手段。曹兴松等针对陡倾小交角层状围岩隧道采取非对称非均长布置锚杆，有效地防止围岩发生顺层破坏，控制围岩变形；腾俊洋等提出锚固区范围越大，锚杆对裂纹的止裂效果越好，锚杆对裂纹的止裂效果与锚固区范围大小有关；常伟针对大梁峁隧道提出锚杆设置范围宜为拱部160°，锚杆长度3.5 m；韩昌瑞等分析了层状岩体顺层偏压的破坏形式和破坏部位，在破坏部位增加锚杆长度以提高衬砌支护强度，改善拱肩部位的剪切破坏情况；胡雄玉等通过相似模型试验得出在层状围岩隧道中，联合支护中的锚杆长度和间距存在最优值，超过最优值之后的锚杆加固效果不再明显。

该文针对段家坪隧道，对水平砂泥岩隧道锚杆支护下隧道围岩变形、锚杆轴力和初期支护与围岩接触压力进行分析，为现场锚杆支护参数动态设计提供一定的指导。

1 工程概况

蒙华铁路北起内蒙古浩勒报吉站，终点为江西省吉安市，规划设计输送能力为2亿t/年。段家坪隧道位于蒙华铁路第九标段，位于陕西省延安市宜川县境内，隧道进口里程为DK446+664.02，出口里程为DK457+387.00，隧道全长10 722.98 m，为单洞双线隧道，最大埋深450 m，两处浅埋处最小覆土分别为3.5、14 m。隧道洞身围岩以三叠系上统厚层砂岩夹薄层泥岩为主，岩层产状为270°∠2°，砂岩层厚30 cm，除砂岩以外夹杂的两层薄层泥岩层厚均为10 cm，两层薄层泥岩分别分布在隧道拱腰和拱脚位置。

2 数值计算

2.1 计算模型与参数

采用3DEC建立模型，模型宽100 m，高70 m。隧道开挖总的宽度为14 m，开挖总高度为11 m。岩体和初支采用理想弹塑性模型，破坏准则为Mohr-Coulomb准则，初支厚度30 cm，锚杆采用CABLE单元。模型前后左右及下边界采用零位移约束条件，上边界设为自由边界。建立的隧道模型见图1。

图1 隧道计算模型

计算中通过等效方法考虑钢拱架的参数，围岩、喷射混凝土和锚杆材料参数如表1所示。

表1 隧道围岩及支护材料参数

2.2 数值模拟工况

首先把锚杆在隧道拱部180°内布置，锚杆的间距设为1.5 m，只改变锚杆的长度进行模拟，分析了锚杆的长度与隧道围岩稳定之间的联系；同理只改变锚杆的间距，分析锚杆间距与隧道围岩稳定之间的联系。具体模拟工况见表2。

表2 计算工况

2.3 计算结果分析

分别统计工况1～5和工况6～10数值模拟中隧道围岩拱顶沉降数据，如图2、3所示。

图2 锚杆长度与拱顶沉降关系图

图3 锚杆间距与拱顶沉降关系图

从图2可知：锚杆长度从2 m增加到3 m过程中，隧道拱顶沉降累计值迅速减小；当锚杆长度达到3 m以后随着锚杆长度的增加，隧道拱顶沉降累计值的减小量变得非常小，说明锚杆增加的部分起到的作用很小，即采用3 m长的锚杆比较合理。

从图3可知：锚杆间距从2 m减少到1.5 m过程中，隧道拱顶沉降累计值迅速减小；当锚杆间距达到1.5 m以后随着锚杆间距的减少，隧道拱顶沉降累计值的减小量变得非常小，说明继续减少锚杆间距对于拱顶沉降的控制作用很小，即采用锚杆间距1.5 m比较合理。

3 现场试验

3.1 现场监测状况

在监测断面布置9根锚杆，每根锚杆上设置3个轴力计，同时在每一根锚杆位置处埋设压力盒，锚杆和压力盒布置如图4所示。分别进行有、无锚杆支护，不同锚杆长度支护和不同等级围岩锚杆支护下锚杆轴力和初期支护与围岩接触压力监测。

图4 锚杆与压力盒布置示意图

3.2 监测结果与分析

统计分析设置3 m长度锚杆和不设置锚杆情况下的初期支护与围岩接触压力，结果如图5所示。

图5 初期支护与围岩接触压力图(单位：kPa)

从图5可知：水平砂泥岩隧道初期支护与围岩接触压力在拱部和拱脚较大，在拱腰部位较小。从接触压力数值上看，在有、无锚杆的情况下围岩与初期支护接触压力有大有小，总体上看，无锚杆试验断面围岩与初期支护接触压力略大。设置3 m锚杆下，在水平砂泥岩隧道拱部围岩与初期支护的接触压力明显较无锚杆减小，说明锚杆在拱部承受了一定的荷载，分担了部分围岩压力。

统计分析锚杆长度分别为2、3和4 m长度下的锚杆轴力，结果如图6所示。

图6 不同长度锚杆轴力图(单位：kN)

从图6可知：水平砂泥岩隧道拱部锚杆均受拉，但受到的拉力均不大，最大值为23.17 kN，锚杆的最大轴力基本上都在隧道拱部附近，拱腰和拱脚部位锚杆受到的拉力较小，在1 kN左右。锚杆个别测力点受压，可能是由于围岩的应力集中引起。2 m锚杆内端部的拉力较3、4 m锚杆少很多，2 m锚杆对水平砂泥岩隧道围岩的加固作用不明显。

统计分析不同等级围岩下锚杆轴力结果如图7所示。

从图7可知：水平砂泥岩隧道不同围岩级别下，隧道拱部锚杆拉力较大，拱腰和拱脚部位锚杆受力相对很小，拱腰和拱脚部位锚杆作用相对较弱。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩拱部锚杆轴力最大值分别为13.18、18.13、21.97 kN，可见随着围岩强度的降低，锚杆的轴力越来越大，说明围岩强度越低，其自稳能力越差，锚杆对围岩变形发挥的控制作用越大。

图7 不同围岩级别下锚杆轴力图(单位：kN)

4 结论

通过对水平砂泥岩隧道开挖数值模拟和现场锚杆轴力和初期支护与围岩接触压力的监测，得到了隧道拱顶沉降随着锚杆长度和间距的变化规律，以及不同锚杆长度及不同围岩下锚杆轴力，主要结论如下：

(1) 随着锚杆长度的增加和锚杆间距的减少，隧道拱顶沉降不断减少。锚杆长度达到3 m，锚杆间距达到1.5 m后，继续增加锚杆长度和减少锚杆间距对于隧道拱顶沉降的控制作用较小。

(2) 水平砂泥岩隧道拱部锚杆轴力较大，拱部锚杆能够承受一定的荷载，分担部分围岩压力。隧道拱腰和拱脚处锚杆受力较小，在施工中，可以对拱腰和拱脚处锚杆进行优化，少设置或者不设置锚杆。

(3) 随着水平砂泥岩隧道围岩强度的降低，拱部锚杆轴力不断增大。围岩强度越低，锚杆能够更好发挥控制围岩变形的作用。