锚杆加固系统对高速公路隧道稳定性影响分析

2021-09-14■刘瑞

福建交通科技 2021年5期

■刘瑞

（新疆交通建设管理局项目执行二处，乌鲁木齐 830000）

隧道稳定性问题是隧道施工建设过程中较为重要的一个方面，锚杆支护系统是影响隧道稳定性的重要因素之一。近年来，有关学者对此进行了一些研究，主要有：陈祥林、林恒星等[1-2]结合强度折减法，对隧道开挖过程中围岩稳定性进行模拟分析，研究了随着折减系数的变化隧道围岩塑性区的变化情况，并通过对锚杆参数的模拟比较得出锚杆长度对改善围岩稳定性效果最明显，其次是锚杆间距，最后是锚杆直径；杨佳春、赵景彭等[3-4]运用理论分析、数值模拟的方法对锚杆支护的力学机理进行了系统研究，并运用ANSYS 软件分析了锚杆支护对巷道围岩稳定性的作用效应，给出了加锚围岩的应力、位移的分布特征并研究了锚杆长度、锚杆布置密度对围岩稳定性的影响，为工程设计提供理论依据；张志强、谷拴成等[5-6]首先将岩石和锚杆的复合体考虑成材质均匀的加固体，基于弹性理论推导出加固体的物理力学参数表达式，建立了围岩与加固体协调变形力学模型，并对该模型进行弹塑性力学分析，同时提出了围岩稳定性评价方法，最后将该理论与已有理论和数值模拟进行了对比，研究不同锚杆支护强度对围岩稳定系数的影响；唐勇等[7]认为层状软岩地层中隧道开挖后围岩的非对称破坏特征与支护结构的非对称受力特征显著，围岩的稳定性控制面临着较大的挑战，基于该背景建立了层状岩体各向异性本构模型，并采用该模型分析了层理面的倾向与倾角对隧道破坏模式的影响，最终提出了围岩形变控制的锚杆非对称支护模式。本文以某隧道工程为例，重点分析了采用三台阶七步法开挖过程中锚杆支护系统变化对隧道位移等方面的影响，研究结果可为类似工程设计和施工提供参考。

1 工程概况

某山岭高速公路隧道采用三台阶七步法施工，隧道为双线四车道，隧道最大高度为5.8 m，最大宽度为11.2 m，采用曲墙半圆拱的断面形式，设计时速为80 km/h，隧道设计埋深约为34～48 m，整体呈现出南高北低的地势。该区段内以粉质黏土、黄土、风化砂岩为主，且隧道开挖区为典型的强风化砂岩层。工程区内不考虑地表和地下水存在的影响。图1 为三台阶七步开挖法示意图，图中标识了开挖的顺序编号，该种施工方法具有可以多个施工面同时作业、作业空间大、核心土有利于掌子面稳定，以及可以灵活调整初支封闭成环的时间等优点。

图1 三台阶七步法示意图

2 数值建模

以典型断面DK5+348～DK1+372 为研究对象，采用大型有限元软件MIDAS/GTS 建模，并导入FLAC3D 软件中进行计算分析，如图2 所示。考虑到隧道的大小及开挖影响范围，模型长、宽、高分别取160 m、82 m 和50 m，隧道中心埋深为40 m，除模型上边界外，其他边界均进行位移和边界约束。隧道支护形式为初支和二次支护，即锚杆+钢筋网+喷射混凝土+二次衬砌，初支喷浆厚度为25 cm，二次衬砌厚度为40 cm，锚杆长度为3.5 m，直径为25 mm，间距为2 m，横断面上共计37 根。隧道围岩采用实体单元建立、锚杆和衬砌采用结构单元，并将钢筋网等折合到混凝土上，均采用摩尔库伦本构模型，模型网格共计28764 个。图3 给出了隧道锚杆支护图，表1、2 分别为土体、衬砌及锚杆等相关物理力学计算参数。

图2 数值模型图

图3 隧道锚杆支护图

表1 土体的物理力学参数

表2 混凝土和锚杆的力学参数

为简化计算，将钢拱架、钢筋等弹性模量均等效折算在混凝土上，计算方法如下：

式中：E 和E0分别是进行折算后和热算前的混凝土弹性模量，Eg是钢拱架的弹性模量，Sc是混凝土截面面积；Sg是钢拱架横截面面积。

3 数值结果分析

3.1 模型整体位移云图分析

图4 为隧道开挖完成后的整体位移云图，由图可知，隧道开挖后隧道周围围岩和地表均发生变形，其中位移最大值为136.3 mm，发生在拱顶位置。地表沉降最大值位于隧道轴线正上方，最大值为100.4 mm。此外，观察云图可以发现，位移云图沿隧道轴向基本呈现出位移变化左右对称。

图4 实际工况下模型整体位移云图

为了探究锚杆变化对隧道开挖模型带来的影响，着重计算了无锚杆工况下和加长锚杆工况下的模型整体位移，其中加长锚杆工况下的锚杆长度取7 m，即相比之前锚杆扩大1 倍。图5 为无锚杆和加长锚杆后的整体位移图，由图可知，无锚杆时模型最大位移值为141.5 mm，相比于正常工况增大了3.82%；而加长锚杆工况下模型最大位移值为116.8 mm，相比于正常工况减小了14.31%。综上可知，取消锚杆会导致模型整体变形增大，而加长锚杆系统可以有效减小拱顶及地表的位移。

图5 改变锚杆系统情况下模型整体位移云图

3.2 隧道拱顶位移和水平收敛位移监测分析

3.2.1 无锚杆支护系统

为了更为清晰地获取无锚杆和加长锚杆工况下的拱顶和水平收敛位移，本文选取DK5+352、DK5+360、DK5+365 和DK5+370 共4 个典型断面（下称断面一、二、三和四）进行监测分析，图6 为有无锚杆系统下隧道拱顶位移监测曲线。由图可知，实际工况下，断面一、二、三和四的最大拱顶位移分别为-125.3 mm、-188.6 mm、-168.5 mm 和-112.1 mm；当无锚杆工况下，断面一、二、三和四的最大拱顶位移分别为-132.4 mm、-202.6 mm、-179.2 mm和-119.7 mm。无锚杆时，断面一、二、三和四的拱顶沉降值分别增大了5.7%、7.4%、6.4%和6.8%。由此可知，取消锚杆之后会使得隧道拱顶的沉降增大5%～7%。

图6 有无锚杆系统下隧道拱顶位移监测曲线

图7 为有无锚杆系统下隧道水平收敛位移监测曲线。由图可知，实际工况下，断面一、二、三和四的最大水平收敛位移分别为52.9 mm、169.8 mm、198.3 mm 和100.3 mm；当无锚杆工况下，断面一、二、三和四的最大水平收敛位移分别为57.8 mm、178.4 mm、209.7 mm 和109.5 mm。无锚杆时，断面一、二、三和四的最大水平收敛位移分别增大了9.8%、5.1%、5.7%和9.2%。由此可知，取消锚杆之后会使得隧道水平收敛位移增大5%～10%。综上可知，不采取锚杆支护系统时，会导致隧道沉降和水平收敛发生10%内的位移增大现象，因此，在强风化砂岩中进行隧道设计和施工时，是否需要采用系统锚杆加固围岩，应视情况具体分析，以免造成不必要的资源浪费。

图7 有无锚杆系统下隧道水平收敛位移监测曲线

3.2.2 加长锚杆支护系统

图8 为有加长锚杆系统下隧道拱顶位移监测曲线。由图可知，实际工况下断面一、二、三和四的最大拱顶位移分别为-125.3 mm、-188.6 mm、-168.5 mm和-112.1 mm；当加长锚杆工况下，断面一、二、三和四的最大拱顶位移分别为-101.6 mm、-150.3 mm、-125.2 mm 和-91.4 mm。加长锚杆时，断面一、二、三和四的拱顶沉降值分别减小了18.9%、20.3%、25.7%和18.5%。由此可知，采取加长锚杆之后会使得隧道拱顶的沉降减小18%～26%。

图8 加长锚杆系统下隧道拱顶位移监测曲线

图9 为普通工况与加长锚杆工况下隧道水平收敛位移监测曲线。由图可知，实际工况下断面一、二、三和四的最大水平收敛位移分别为52.9 mm、169.8 mm、198.3 mm 和100.3 mm；当加长锚杆工况下，断面一、二、三和四的最大水平收敛位移分别为31.2 mm、123.9 mm、142.6 mm 和72.4 mm。加长锚杆时，断面一、二、三和四的最大水平收敛位移减小了41.0%、27.0%、28.1%和27.8%。由此可知，加长锚杆之后会使得隧道水平收敛位移减小27%～41%。