基于ABAQUS的螺纹钢树脂锚杆在软岩大变形隧洞中的应用研究

赵颖

(江西省奉新县水利局，江西 奉新，330700)

0 引言

软岩大变形隧洞有围岩沉降变形大、完整性差及强度低等不利特点，这些特点严重影响隧洞施工、运营安全。而树脂锚杆强度高、可切割、重量轻、柔性好，可以有效地提高软岩大变形隧道的稳定性。

树脂锚杆在软弱岩层中的应用由来已久，陶永虎等[1]针对软岩隧道大变形问题，通过数值模拟分析不同锚杆对围岩最大位移(νmax)、最大应力(σmax)的控制效果。李贵民等[2]对初支钢架大变形问题的系统锚杆效果进行研究，结果表明，预应力树脂锚杆可有效提供抗拔力。张园园[3]通过研究发现，树脂锚杆抗拉拔强度为≥300MPa、预紧力矩≥200N·m时，方能符合巷道支护强度、投入使用。李敏等[4]对软岩岩体变形特征展开深入研究后，提出高强度树脂锚杆＋喷射混凝土为主的支护新工艺，该方法能够有效提高围岩稳定性。王伸等[5]采用ABAQUS对螺纹钢锚杆受力进行模拟分析，并与理论分析结果对比验证。杨俊等[6]运用数值模拟方法分析了树脂锚固剂锚固界面上剪应力大小在不同性质围岩情况下的分布规律。王峰[7]为保证锚杆钢筋使用性能的稳定性，分析其加工失效的机理。笔者认为，加工过程中锚杆钢筋裂纹的出现主要是在缩颈时产生的。树脂锚杆主要用于岩石岩土中的锚固作用，钱任等[8]利用FLAC－3D建立锚杆拉拔试验模型，该模型能够有效研究不同围岩环境对锚杆锚固性能的影响。

然而，树脂锚杆在软弱大变形隧洞中的应用研究较少。树脂锚杆强度高、柔性好，能够有效提高隧洞稳定性、安全性。本文以螺纹钢树脂锚杆为研究对象，基于ABAQUS数值模拟软件并且结合单元删除算法、Mohr—Coulomb屈服准则对螺纹钢树脂锚杆在隧洞中的应用开展研究分析，该研究成果对隧洞的围岩支护作业具有一定的指导意义。

1 工程概况

某输水(二期)工程隧洞1段主要由取水口、输水隧洞、永久支洞等组成。输水隧洞1段进口底高程96.50m，出口底高程90.50m，长5.23km。隧洞围岩级别主要为V级，岩体易破碎，遇水易软化崩解，围岩稳定性差、沉降变形大，施工困难大。为确保隧洞施工、运营的安全性、稳定性，对隧洞开展螺纹钢树脂锚杆支护研究具有重要意义。

2 模型建立

基于隧洞特殊的岩层性质，采用锚杆和喷射混凝土作为主要支护手段以实现“强支护，早封闭”的效果。本文数值模拟过程分为三步:(1)建立隧洞所在岩体的自重应力平衡分析步，以模拟岩体未被开挖扰动影响的应力分布状态；(2)利用ABAQUS软件中单元删除法，实现隧洞洞口的开挖、衬砌及锚杆支护效果。其中，采用嵌入方式模拟锚杆与围岩的接触状态；(3)进行迭代计算，分析螺纹钢树脂锚杆对隧洞的支护效果[9－10]。

实际情况下，单元会因损伤断裂而消失。为模拟这种情况，ABAQUS软件平台提供单元删除功能。本文中利用到单元直接删除技术以模拟隧洞洞口区域岩体的消失，通过∗MODEL CHANGE，TYPE＝ELEMENT，REMOVE命令语句实现。

2.1 围岩模型建立

基于ABAQUS软件平台利用平面应力计算模式，建立隧洞二维计算模型(见图1)。取围岩的尺寸为600m×400m，围岩的密度为2350kg/m3，弹性模量E＝0.9GPa，泊松比μ＝0.2，内摩擦角φ＝36.5°，粘聚力C＝0.12MPa(见表1)。采用Structured网格划分形式，共划分3683个围岩网格单元，网格类型为CPS4R。模型底部竖向约束，两侧水平约束。

图1 隧洞计算模型

表1 围岩力学性能

2.2 隧道锚喷支护模型建立

采用螺纹钢树脂锚杆，锚杆长度为3.5m，屈服强度为400MPa，抗拉强度为570MPa。锚杆材料属性设为Beam，网格类型为B21，共划分900个网格单元(见表2)。

表2 锚杆力学性能

模型中，衬砌的厚度为0.25m，采用强度等级为C30的混凝土，弹性模量为42GPa，泊松比为0.25(见图2)。

图2 隧洞锚喷支护模型

2.3 Mohr—Coulomb屈服准则

围岩采用塑性模型模拟，屈服准则如下:

其中，σ1是单元第一主应力；σ2是单元第二主应力；σ3是单元第三主应力；C是粘聚力；φ是内摩擦角。

主应力为公式(2)的解，其计算公式如下:

其中，I1表示应力张量的第一不变量，I2表示应力张量的第二不变量，I3表示应力张量的第三不变量。

3 结果分析

3.1 隧洞位移分析

由图3(a)可以看出，隧洞左右侧壁水平位移最大，后期隧洞监测重点应位于左右侧壁。左侧水平位移最大值为8.56mm，右侧水平位移最大值为8.58mm。建模过程中，隧洞为对称性结构，所以隧洞中的水平位移也是对称分布。从图3(b)可以看出，隧洞竖向位移最大区域为拱顶和拱底部位，这两处也是后期位移监测重点。拱底位移为18.04mm，拱顶位移为17.87mm。

图3 隧洞开挖后位移(单位:m)

结合上述结果，隧洞竖向位移大于水平位移，竖向位移最大值约是水平位移最大值的2.19倍，在施工过程中要注重隧洞竖向位移的控制，尤其是底部起鼓的控制。而且，V级围岩环境下，隧洞竖向位移控制值为20mm。因此，从竖向位移角度分析，螺纹钢树脂锚杆支护方案满足工程安全要求。

3.2 隧洞围岩受力分析

从图4(a)可以看出，隧洞水平应力主要集中在隧道围岩的顶部和底部。隧洞围岩底部的应力值最大，达到5.38×106Pa。隧洞左右侧壁围岩出现应力集中现象，应力值为1.18×106Pa。而拱脚处的应力最大，为2.09×107Pa。从图4(b)可以看出，隧洞竖向应力主要集中在拱底、拱顶部位，拱底应力最大，为1.66×107Pa。拱脚处的竖向应力最大，达到4.40×107Pa。

图4 隧洞围岩应力分布(单位:Pa)

可见，隧洞围岩应力中，拱脚、拱底的应力较大，这是由于隧洞拱顶区域施加螺纹钢树脂锚杆降低围岩压力导致的。拱底、拱脚的应力值均小于材料强度，不会对工程造成安全威胁。

3.3 隧洞拱顶位移分析

隧洞处于V级围岩，岩层遇水易软化崩解，围岩稳定性差，沉降量大。同时，拱顶常出现脱空、掉块等病害，这对隧洞稳定性带来重要隐患，可见对软岩大变形拱顶开展位移分析具有代表性。本节以初期支护锚杆为对照组，分析螺纹钢树脂锚杆的支护效果，选取拱顶节点A作为研究对象(见图1)。

如图5所示，x轴为数值模拟过程中的分析步，y轴为拱顶节点A的竖向位移。数值模拟分析步中，0－2step为地应力平衡阶段；2－4step为硐室岩体强度折减阶段；4－6step为锚杆施加阶段；6－7step为隧洞硐室岩体挖除阶段。

图5 拱顶竖直位移

整个数值模拟过程中，拱顶竖向位移在前期(0－6step)较小，位移变化率趋于0，在后期(6－7step)拱顶竖向位移增大，最后趋于稳定。采用螺纹钢树脂锚杆支护方案的拱顶竖直位移为13.28mm，采用初期锚杆支护方案的拱顶竖直位移为17.35mm。

4 结论

为有效提高隧洞围岩稳定性，本文基于ABAQUS数值模拟软件，利用单元删除算法、Mohr—Coulomb屈服准则建立隧洞数值模型，研究结果如下:

(1)相比于水平方向，隧洞竖向应力、位移较大，应当加强竖向的应力应变监测工作。隧洞拱底位移达到18.79mm，建议采用加筋的方式防止拱底起鼓。

(2)采用螺纹钢树脂锚杆支护方案的拱顶竖直位移比初期锚杆支护方案的拱顶竖直位移小，为13.28mm。可见，螺纹钢树脂锚杆对谢家坡隧洞的具有良好的支护效果，满足工程安全性要求。

(3)本文建立的是二维平面应力数值模型，没有建立三维应力数值模型，对于隧洞深度方向的应力变化有待进一步研究。