作者：陈蓓
【摘 要】本文以兰渝线铁路隧道施工为工况背景，以长锚杆作为隧道围岩变形控制的主要手段，介绍了隧道锚固数值模拟过程，简要分析了围岩稳定性，对于软弱围岩隧道，优化的长锚杆设置对围岩的加固效果优于普通锚杆设置。
Abstract: According to the construction of railway tunnel in Lanyu line, in this paper, long bolt is the main method to control the displacement. It provides the process of numerical simulation of tunnel type anchorage and analyzes the stability of surrounding rock. In the soft surrounding rock tunnel, the reinforcement effect of the advanced long bolt is better than that of the common bolt.
【关键词】 锚固试验；软弱围岩；长锚杆；数值模拟
Key words: anchoring test；soft surrounding rock；long bolt；numerical simulation
0 引言
目前，普遍应用于地质条件较好的岩土工程中的锚杆，其支护效果表现良好。但在围岩松软破碎、高地应力等复杂条件下的大变形隧道中，锚杆支护仍然是尚待解决的难题。国内外锚杆支护正朝着提高锚固力、提高支护效率、扩大应用范围方向发展。普遍认为开发具有强初撑、急增阻、高阻力力学特性的锚杆支护，是控制高应力、软岩大变形隧道的有效途径，是锚杆支护的主要发展方向[1]。
本文以兰渝线兰州至广元段铁路隧道施工为工况模拟背景，针对该工程隧道开挖中围岩大变形问题（开挖变形达25cm），以长锚杆作为变形控制的主要手段，对现场试验进行模拟对比验证计算，为完善软岩大变形控制方法提供进一步依据。
1 工程概况
该工程位于甘肃省岷县县城东边。隧道于洮河右岸岷县奈子沟村东侧山坡（DK201+820）进洞，在岷县正龙骨料饲料厂后山坡（DK206+955）出洞。隧道全长5135m，为双线隧道。隧道进、出口位于国道G212路边，交通方便。洞身段落山大沟深，地形起伏很大，距离国道较远，交通不便。该工程地貌上位于西秦岭中山区。山高沟深，山坡、谷坡较陡，隧道洞身最大埋深248m，梁顶植被覆盖较好。该隧道洞身经过的地层有第四系全新统坡积砂质黄土、碎石土；二叠系下统炭质板岩、板岩、砂岩，三叠系中统板岩、砂岩等。山坡表层覆盖有第四系全新统坡积黏质黄土，坡积、滑坡堆积粗角砾土、碎石土等。
2 锚固试验施工方法
考虑到成本投入和施工的便利性、可操作性，制定方案主要如下。以长锚杆作为变形控制的主要手段设置试验段，沿中线对称布置，锚杆钻孔施作采用专用帮锚杆机。分三组试验：第一组锚杆长3m；第二组锚杆长6m；第三组锚杆长8m；锚杆间距均为1m。锚杆布置情况如图1所示。该控制措施效果富余时，可再确定加大锚杆间排距试验，以便于确定合理的加固措施。其中3m、6m、8m长锚杆分别选用?准22螺纹钢、?准42注浆钢管、?准70注浆钢管，其施作富余部分与钢拱架焊接，锁定钢拱架。施作步骤：钻孔→快硬水泥卷与螺纹钢端头插入→送快硬水泥卷与螺纹钢入孔→注浆→螺纹钢锁定钢拱架。
3 模拟计算及分析
为分析锚杆对隧道围岩变形控制的影响，根据实际工程的地质条件分别进行锚杆长度和直径的对比试验的模拟研究。
3.1 隧道计算范围及地质条件 隧道左右侧边界为隧道开挖洞径的4倍，上下侧为隧道开挖洞径的3倍（隧道毛断面净高12.5m，跨度14.0m）。依据地形条件加载自重应力。围岩为Ⅴ级，处在F3断层内，隧道洞身二叠系～三叠系板岩、砂岩岩体节理裂隙发育，工程地质条件差。
3.2 计算单元和计算参数的选取 根据隧道结构的不同部分的特点选用合适的单元可以使模型更加接近工程实际，提高计算精度，减小解题规模。本次模拟采用ANSYS软件对隧道开挖采用二维方式模拟，计算采用了三种单元，用实体单元PLANE42模拟围岩和挖去的土体单元，用杆单元LINE1模拟隧道锚杆，用梁单元BEAM3模拟喷射混凝土和钢拱架[2][3]。主要模拟计算参数如下：喷射混凝土：厚度0.3m，弹性模量30e9Pa，泊松比0.2，密度2551kg/m3；围岩：弹性模量1.3e9Pa，泊松比0.38，凝聚力0.2e6Pa，内摩擦角21；锚杆：弹性模量200ePa，泊松比0.3，密度7840kg/m3 [4]。
3.3 数值模拟分析 采用ANSYS软件对长锚杆支护软弱围岩隧道方案进行模拟，取经过隧道纵轴线的围岩立面为研究对象，分别得到27根4米锚杆、26根6米锚杆、12根8米锚杆作用下的围岩竖向位移分布云图。
3.3.1 以ANSYS模拟开挖和支护效果，选取合理的模拟计算参数十分重要，经多次反复调试及验证才能获得有效的接近工程实际的模拟云图。
3.3.2 位移控制效果分析。如图2，27根3m锚杆控制最大变形量为18.947cm，26根6m锚杆控制最大变形量为14.009cm，12根8m锚杆控制最大变形量为14.7cm，且都发生在仰拱处，可见，优化的锚杆设置控制变形最为有效。由锚杆轴力图知，锚杆近端轴力大，远端轴力小，而且拱顶轴力比两侧的大，且锚杆的轴力相对于隧道结构来说是对称的。
3.3.3 围岩稳定性分析。在长锚杆的作用下，由于长锚杆较强的锚固力作用，改善了围岩的应力状态，临空面附近稳定性较弱的岩体与深部稳定性较好的岩体通过长锚杆连接在一起，增强了岩体结构的整体作用，使得围岩的整体性和承载能力得到了提高，围岩的稳定性亦显著提高[5]。
4 结论
4.1 对现场试验进行数值模拟计算，为软岩大变形控制方法的研究提供了一定的依据。
4.2 大变形隧道锚杆与围岩相互作用虽取决于围岩的力学特性以及隧道所处地形情况，但长锚杆对软弱围岩隧道的变形也具有一定的控制作用，长锚杆能够改变围岩的力学特性，提高围岩的自承能力，减少围岩变形，保持隧道围岩的稳定性。
4.3 针对具体地形以及隧道围岩的力学性质等因素优化锚杆设置，对于软弱围岩隧道，长锚杆的设置对围岩的加固效果优于普通锚杆设置。
参考文献：
[1]孙钧.岩土力学与地下工程结构分析的若干进展[J].力学季刊，2005，26（3）：329-338.
[2]孙钧.地下结构有限元法解析[M].上海：同济大学出版社，1988.
[3]郑颖人，赵尚毅，邓楚键等.有限元极限分析法发展及其在岩土工程中的应用[J].中国工程科学，2006，8（12）：39-61.
[4]赵玲，李晓红，顾义磊等．高应力区隧道围岩变形破坏的数值模拟及物理模拟研究[J].岩土力学，2007，28（增）：393-397．
[5]谷栓成，姚国圣，刘娟等.锚杆在软岩中作用机制的研究[J].山东科技大学学报（自然科学版），2005，24（4）：74-76.
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