山岭隧道锚杆锚固实验与智能优化算法

2022-07-27高恒潮梅宇

智能建筑与智慧城市 2022年7期

高恒潮，梅宇

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司）

1 工程及模型试验概况

1.1 工程概况

某山岭隧道工程位于贵州山岭地区，根据地质勘察报告的反馈，隧道穿越地层为中风化砂岩，节理裂隙发育，岩体破碎，无自稳能力，围岩等级为V级。按照设计文件，该隧道工程拟开挖跨度为16.3m，高度为11.8m，埋深为60m。经过充分研究与讨论，该隧道工程锚杆选择使用φ22mm 锚杆，锚杆长度为3.5m，按照1.0m×1.0m的间距布设，并在隧道拱脚与边墙位置设计锁脚锚杆，以提升拱脚与边墙的稳定性。

1.2 室内模型试验概述

本研究均基于简易锚杆拉拔试验台架开展。为了还原隧道穿越地层的环境，根据地质勘察报告采用相似的材料模拟隧道围岩环境，再按照隧道锚杆锚固施工流程有序开展钻孔、打入锚杆、注浆、养护（8 d以上）作业。养护验收合格后，先将锚头固定在十字升降架位置上，配合旋转顶进螺母，匀速上移锚杆，开展锚杆拉拔试验，检测试验效果[1]。

需注意的是，本次试验锚杆的拉拔力大小通过顶级螺母的圈数来调节；荷载控制，在确定锚头稳定后实施荷载加载；调整锚杆拉拔力，如实详细记录锚杆拉拔力的具体数值，确定锚头的位移情况，直至试验结束。

1.3 围岩相似材料

根据地质勘察报告的反馈确定围岩的介质比例，模拟制作一个与隧道工程相类似的围岩环境。围岩相似材料的配比拌和应符合地质力学模型试验的相似条件Cσ=CE=CγCL，即容重相似比尺Cγ=1.18，几何相似比尺CL=1，应力相似比尺Cσ=弹性模量相似比尺CE=1.18。考量隧道工程施工标准，采用螺纹钢类型的锚杆作为锚固材料，选用普通硅酸水泥制备浆液，用于后续的注浆作业。

1.4 锚固参数组合

钻孔直径、锚杆直径和浆液配比是影响锚杆抗拔力和锚固效果的最基本因素，不仅会单独对锚杆抗拔力产生影响，还会组合对锚杆抗拔力产生影响，为保证试验的精准性，本试验采用正交试验法，制作正交表格，以便于对试验进行整体设计与比较分析，保证试验调查与数据分析的准确性。为了更好地统计与分析数据，节省时间，本试验采用A指代锚杆直径、B指代钻孔直径、C指代浆液配合比，并结合以往案例与经验选择3个不同代表水平，具体情况如表1所示。

表1 锚固参数

2 试验数据分析

为减少试验误差与偶然性情况对试验结果的影响，本试验对A、B、C、D（空列）开展平行试验，共进行3 次试验，获得的数据取平均数。为了进一步探究钻孔直径、锚杆直径和浆液配比变化对锚杆拉拔力数值的影响，计算3 次平行试验各影响因素水平极差，具体情况如表2所示。

表2 各影响因素3个水平极差

2.1 锚杆直径对锚固质量的影响分析

在不同锚杆直径对锚固质量的影响分析中可以发现，试验1 锚杆直径为18mm 时，锚杆荷载能力k1为5.20kN；试验2 锚杆直径为22mm 时，锚杆荷载能力k2为7.89kN；试验3 锚杆直径为25mm 时，锚杆荷载能力k3为8.15kN。显然，锚杆直径越大，其抗拔力越高，荷载能力就越强。

当锚杆直径由18mm变到22mm时，锚杆的抗拔力增长跨度较大；比较锚杆直径为18mm到22mm和锚杆直径为22mm 到25mm 这两个区间的锚杆抗拔力增幅发现，第一个区间增幅较大，达到了2.69kN，第二区间较为有限，仅为0.26kN。因而，确定A列3种锚杆的直径可取得的锚杆抗拔力效果最好，即选择3#、6#、9#开展锚杆抗拔力，并根据试验结果绘制荷载—位移（Q-S）曲线图（见图1）。

图1 不同锚杆直径锚杆拉拔力Q-S曲线

解读Q-S曲线发现，在3#、6#、9#这3个水平试验中，3#锚固效果较差，在初期锚杆的抗拔力数值低于6#、9#试验组，且极限抗拔力数值低于其他两组。比较6#、9#，初期阶段6#、9#锚杆极限抗拔力值差别较小，但两者的极限锚杆抗拔力值存在差异，6#锚杆极限抗拔极限数值远大于9#，且最后数值高于9#，锚固效果较为理想。

锚固体与围岩之间的黏结强度τ由两部分组成，其计算公式为：

式（1）中：τ为黏结强度（MPa）；c为注浆体与围岩的胶结力（MPa）；σ为锚固体与围岩之间的径向压应力（MPa）；tanϕ为锚固体与围岩接触面摩擦系数（ϕ为其内摩擦角）。

在条件相同的前提下，锚固体与围岩之间的径向压应力（σ）随着黏结强度（τ）的增加而增加，两者的关系为正相关。但是随着锚杆直径的增加，注浆厚度随之减小，锚固体与围岩之间的径向压应力（σ）和黏结强度（τ）均逐渐减小。基于此，当锚杆直径为18mm 时，注浆厚度较厚，锚固体与围岩之间的黏结强度较有限，锚固施工的效果有限；当锚杆直径达到22mm时，锚固体与围岩之间的径向压应力（σ）和黏结强度（σ）达到配比的最优比，锚固效果较为理想；当锚杆直径增大至25mm时，注浆厚度太小，锚杆抗拔力难以达到理想水平，黏结力有限，注浆体极易出现移动和变形问题。

2.2 钻孔直径对锚固质量的影响分析

当钻孔直径为30mm、40mm、50mm时的锚杆荷载分别为4.44kN、7.28kN、9.62kN。比较钻孔直径为30mm、40mm和50mm下锚杆拉拔力的大小，发现锚杆抗拉力数值与钻孔的直径呈现正相关。但根据上述计算公式和原理可得，并非钻孔直径越大锚固效果最好，因为随着直径的增加，注浆体的厚度也增加，如果超出最佳范围，锚杆的传力效果会受到影响，故应加强钻孔直径的控制，直径不宜过大。

确定B 列3 种锚杆的直径可取得的锚杆抗拔力效果最好，即选择7#、8#、6#开展锚杆抗拔力，并根据试验结果绘制荷载一位移（Q-S）曲线图（见图2）。

图2 不同钻孔直径锚杆拉拔力Q-S曲线

在7#、8#、6#这3 个水平试验中，钻孔直径为30mm的试验组锚固效果较差，注浆体与围岩的接触面积有限，存在较大变形隐患。随着钻孔直径的增加，注浆体与围岩的接触面积、抗剪强度均增加，锚杆的抗拔效果也在逐渐提升，但当钻孔直径增加到50mm 时，锚杆抗拔力极限数值达到最大，在到达顶峰后荷载能力急速下降，锚固体与围岩之间的径向压应力（σ）和黏结强度（τ）难以相互配合，无法保证锚固质量。

2.3 注浆配合比对锚固质量的影响分析

在浆液配比试验中，确定C列3种锚杆的分别为0.38、0.40、0.45，并开展试验获得试验平均数。分析数据发现，3 种锚杆的锚杆荷载分别为8.52kN、5.66kN、7.15kN。浆液配合比与锚杆抗拔力呈反相关关系。

确定C列3 种锚杆的直径取得的锚杆抗拔力效果最好，即选择6#、9#、5#开展锚杆抗拔力，并根据试验结果绘制荷载—位移（Q-S）曲线图。

虽然3种不同的浆液配比所获得的试验数据存在较大差距，但前期差距较小且基本走向较为一致。同时比较6#、9#、5#的数值变化，可以确定6#锚杆荷载能力较为优秀，无论是在基本情况下还是在极限情况下均高于9#、5#，锚固耐久性较好。因而，可以得知当浆液配合比为0.38 时，锚固体与围岩之间的径向压应力（σ）和黏结强度（τ）将达到最佳水平，0.38为浆液最佳配合比。

2.4 最优锚固参数的获取

综合统计分析以上数据，对锚杆直径、钻孔直径和浆液配比这三大影响因素进行比较和排序，最后确定最优锚固参数。

最优锚固参数为A2B3C1，转换成具体的参数对应则为：锚杆直径为22mm、钻孔直径为50mm、注浆配合比为0.38，即锚杆传力效果达到设计要求，注浆体与围岩二者之间的黏结性也得到了保证，锚固效果较为理想。

3 利用幕墙和玻璃斜窗快速创建锚杆模型

为了智能化控制与精细化管理数据，本试验利用幕墙和玻璃斜窗快速创建锚杆模型，规避阵列命令模型创建的缺陷与不足。严格遵循模型建立标准，规范操作行为，分别新建幕墙嵌板族和绘制侧墙与拱顶锚杆，并进行工程算量，加强锚杆模型的创建质量控制。通过公制幕墙嵌板族实现单根锚杆模型的参数化，创造性地使用幕墙嵌板族绘制锚杆模型。

借助Revit软件平台点击创建锚杆参数化族，将需要试验模拟的数据输入软件中，分别输入锚杆直径、长度等相关数据，形成可视化和直观的三维模型，测量相关数据，观察锚杆试验的情况。相较于传统的阵列命令，幕墙嵌板族绘制锚杆模型具有可视化和精细化的特点，能充分发挥玻璃斜窗的作用，还能利用幕墙嵌板明细表实现对锚杆数量与情况的智能化控制与高效管理，开展自动算量作业，达到控制建模时间、提高建模效率的效果。