隧道洞口边坡锚索框架梁支护研究

马仁跃 MA Ren-yue；吕帅元 LV Shuai-yuan；刘琪 LIU Qi

（西藏大学工学院，拉萨 850000）

0 引言

隧道洞口边坡支护措施主要有挡土墙、抗滑桩[1，2]和预应力锚索（杆）框架梁等。这些支护措施都有其优势与局限，如挡土墙就比较适用于小型边坡支档工程，但对于大型或深层防护工程起到的作用就相形见绌了；抗滑桩虽适用于大型或深层防护工程，但其施工难度比较大以及对经济的投入成本比较高；其中预应力锚索框架梁[3-5]相比较其他的支护措施有着适用性和经济性等优点，因此其已经广泛应用于现代隧道工程，其设计理论近年来虽然有了很大的发展，但尚未出现完备的理论体系。此外，框架梁、预应力锚索、岩土体的相互作用机理较为复杂，对框架梁的结构设计[6，7]只是采用一种近似的计算方法，对预应力锚索框架梁这种支护结构的受力机制、岩土体在支护下变形方式都没有确切的理论支持。2015 年马洪生[8-10]在文献[8]中以刚性梁、长梁法和初参数法进行对锚索框架梁内力计算，然后把各种参数代入计算出在不同情况下的弯矩，地基反力以此来进行了参数影响研究；2010 年邵勇[11]在文献[11]中通过FLAC 3D 软件模拟分析出不同参数下的框架梁弯矩变化与锚索轴力分布，最后分析出最优的锚固参数组。以往学者很少有对隧道洞口边坡预应力锚索框架梁支护情况下进行单因素变量分析不同参数下的坡面位移变化。基于上述原因，本文拟采用隧道洞口边坡工程实例，利用FLAC-3D[12，13]软件来模拟预应力锚框架梁结构，研究不同锚固力、锚固角度和锚固间距对支护效果的影响。

1 工程概况

某隧道2 号洞口边坡，覆盖层的土质为第四系残破积粉质土，其主要成分为片麻岩，本隧道洞口边坡所处区域的岩石破碎后呈碎石状。边坡高度为21～49m，边坡以开挖为主，设置开挖台阶的方式为每7m 一个台阶，共设置7阶。隧道洞口边坡区域岩石破碎，风化严重，但滑动面有相对稳定的岩层，因此用预应力锚索框架梁设置坡面支护，锚索框架梁覆盖面积约为4200m2。边坡开挖坡率[14，15]为1∶0.75～1，预应力锚框架梁坡率布置应按照边坡的坡率来布置，框架梁分级布置。预应力锚索框架梁具体布置信息见表1。

表1 预应力锚框架梁布置信息

2 模拟力学参数、本构模型的选取及边界条件的设定

2.1 模拟力学参数

文章没有对山岩做物理力学试验，因此没有确切的力学数据，本文研究是一般规律，因此根据隧道区域围岩分类，可以选择相应围岩等级[16]的岩石力学参数作为数值模拟中相应的岩土体参数最终的参数设定见表2。

表2 边坡岩石力学参数

2.2 本构模型的选取

锚索框架梁支护模拟分析重视屈服准则、强度参数，本构模型的选取相对不重要，摩尔库伦本构模型在其三维空间内有不可导的尖点，这样就会在数值模拟计算过程中遇到一定困难或疑惑，所以本文中采用德鲁克一普拉格本构模型即D-P 准则，修改Mohr-Coulomb 屈服面，没有尖点，更容易收敛。

2.3 边界条件的设定

除了边坡高度方向z 方向为自由方向外，所有模型其他方向边界都被绑定。

3 不同锚固力下锚索框架梁模拟计算与分析

不同锚固力下通过FLAC 3D 模拟软件选择实际隧道洞口边坡工程中合理锚固力参数进行单因素变量分析，最终模拟计算分析得出在不同锚固力下的坡面位移云图，通过观察各方向位移图的变化趋势来分析得出最优的支护锚固力参数。

3.1 计算模型

根据实地调查和测量分析，隧道洞口边坡模型高度可以取H=70m。通过FLAC 3D 软件把模型划分38454 个网格、共有39657 个连接点。其它参数和锚索布置见图1～图3。

图1 隧道洞口边坡模型示意图

图2 锚索与框架梁布置图

图3 锚索布置示意图

3.2 计算参数及边界条件

模型的X 轴垂直于Y 轴方向，右侧为正方向。Y 轴是边坡体方向，内部是正数。Z 轴表示与XY 轴平面垂直的山的高度，顶部为正数。除了边坡高度方向z 方向为自由方向外，所有模型都被绑定。此模拟使用D-P 准则。

在FLAC 3D 数值模拟中，由锚索末端、自由段和锚固段指定的参数根据该段的功能和设置而有不同的参数设置。锚索端参数通常设置为无穷大，以防止施加预应力时锚索端滑动。

预应力锚索框架梁的设置信息如表1 所示，模型力学参数取表2 中的参数，锚索框架梁计算参数如表3、表4所示。

表3 锚索计算参数

表4 框架梁计算参数

3.3 计算结果分析

在锚索框架梁加固的边坡中分别取预应力为400kN、600kN、800kN、1000kN 四种不同情况进行模拟，模拟结果如图4 所示。

图4 边坡加固各锚固力下位移图

分析图4 可知：

①锚固力的增加可以密切连接边坡岩层，大大降低边坡体的下降度，但如果预应力过大，则会产生相反的效果。

②在各锚力下的Z 方向位移云图中，模型坡面顶部的部分位移向上移动，这意味着随着锚固力的增加，坡面的压缩量也会增加，边坡顶部部位形成挤压，边坡顶部位移向上移动的情况下，坡脚有一定向上趋势，随着锚固力的增加，位移逐渐增加，山内位移大的地方随着锚索的锚固力的增加，继续向坡面延伸。

③在各锚固力下的Y 向位移云图中，随着锚固力的增加Y 向最大位移也随之增加，坡脚也有一定向上移动的趋势。

④当锚力为1000kN 时，可以清楚地看到大位移云图延伸到斜坡上，这表明锚固力的增加分担了山的部分重量，但提高了坡面破坏的概率。

由图4 可知，边坡加固后坡面位移明显得到了有效的控制，且随着锚固力的增强坡面的压缩量与下滑情况都有明显的改变，各位移情况如表5 所示。

表5 坡面位移

由以上位移云图和表5 可知，当锚固力为600kN 和800kN 时Z 向位移几乎相同，但随着锚固力的增加，Y 向位移有明显的增大，当锚固力大到一定程度时Y 向位移就会很大，这样坡面就会发生破坏。因此，经综合分析得出当锚固力为600kN 时，预应力锚索框架梁的支护效果最佳。

锚固力为1000kN 时的塑性云图如图5 所示。

图5 1000kN 锚固力塑性区

分析图5 可知：塑性区云图可以反映岩体的破坏程度，当锚固力为1000kN 时整体坡面发生了剪切应力破坏，此时坡度可以主动破坏，产生相反的效果。

4 不同锚固角下锚索框架梁模拟计算与分析

本节取图1 中的计算模型，预应力取600kN，将锚固角度分别设定为10°、20°、30°。依然通过FLAC 3D 进行单因素变量模拟分析其支护效果，本构模型依然选取D-P准则，模型的计算参数参考表3 与表4。最终的各锚固角示意图如图6 所示。

图6 各锚固角示意图

各锚固角下模拟结果如图7～图9 所示。

图7 锚固角10°位移图

图8 锚固角20°位移图

图9 锚固角30°位移图

对比分析图7～图9 可知：

①随着锚固角度的增大，坡面压缩量在减小，由此可得出锚固角度增大锚索框架梁的支护效果在减弱。

②随着锚固角度的增大，Y 向位移在减小。锚固角度为10°时Z 向位移为正，锚固角度为20°和30°时Z 向位移为负，但位移由小到大再到小，由此可得20°为位移转折点。这反映了锚固角度为20°时，锚索框架梁的支护效果最佳。

③从整体位移云图中可以看出当锚固角度为30°时边坡下滑的趋势比较明显。由此也证明了锚固角度为20°时，锚索框架梁支护效果最佳。

表6 是锚固角为10°、20°、30°时边坡整体、Z 方向、Y方向的位移值。

表6 坡面位移值

结合各锚固角度下的位移云图和表6 可分析得出，锚固角度为20°时，锚索框架梁的支护效果最佳。

5 不同锚固间距下锚索框架梁的模拟计算与分析

本节依然取图1 中的计算模型，预应力取600kN，锚固角取20°。将锚索间距分别设定为2m、3m、4m，同上通过FLAC 3D 采取单因素变量模拟分析其支护效果，本构模型依然选取D-P 准则，模型的计算参数参考表3 与表4。最终的各锚索间距示意图如图10 所示。

图10 各锚固间距示意图

各锚固间距下模拟结果如图11～图13 所示。

图11 2m 锚固间距位移图

图12 3m 锚固间距位移图

图13 4m 锚固间距位移图

对比分析图11～图13 可知：

①随着锚固间距增大，坡面压缩量在减小。

②Y 向位移为负，随着锚固间距的增大，Y 向位移在减小。

③随着锚固间距的增大，Z 向位移在减小。

④从整体位移图中可以看出，随着锚固间距的增大，坡面位移范围在减小。

锚固间距2m、3m、4m 时各锚索间距坡面位移值见表7。

表7 坡面位移值

由计算分析得出随着锚索间距的增大，锚索框架梁的横、纵梁弯矩值也随之增大。锚索间距为2m 时，横、纵梁弯矩值较大，其位移值也较大，这样可能会导致锚索间相互影响较大，从而无法发挥较好的支护效果。锚索间距为4m 时，锚索轴力为最大，Z 向、Y 向位移最小，由此可得锚索间距为4m 时支护效果最好。

6 结果与讨论

①文章在理论设计计算优化支护结构参数范围内，只对在不同支护结构参数下利用FLAC 3D 软件进行单因素变量模拟分析，而没有考虑三种支护结构参数耦合情况。于是在假定每个支护结构参数都是相互独立的情况下模拟分析得出锚固力、锚固角度和锚固间距分别为600kN、20°、4m 时，边坡的支护效果最好。且在预应力锚索框架梁中因素影响程度为锚索间距大于锚固力和锚固角。②以往学者大多数都是对预应力锚索框架梁的结构设计进行研究，很少进行预应力锚索框架梁在隧道洞口边坡支护方面的研究。即便有不少学者对预应力锚索框架梁进行支护参数优化，他们有很多是以经济造价为支护参数优化设计的依据，也有许多学者只是通过计算锚索框架梁内力和观察锚索框架梁变形特征来分析得出最优的支护参数组，但没有与实际隧道洞口边坡结合起来。文章把预应力锚索框架梁应用到实际隧道洞口边坡上，这样分析得出的最优支护结构参数组会变得更加实用。③由于锚固力增加、锚固角度减小、锚索间距减小、边坡压缩量会增加、但预应力增加，坡面会被主动破坏，锚固角度减小和锚索间距减小又会导致不符合支护要求，因此可以在边坡支护中适当更改相应的参数值，达到抑制边坡变形的效果。