隧道洞口超前锚杆预支护三维有限元模拟分析

张建国，温淑莲

(山东交通学院 交通土建工程学院，山东济南 250357)

隧道洞口超前锚杆预支护三维有限元模拟分析

张建国，温淑莲

(山东交通学院 交通土建工程学院，山东济南 250357)

为保证施工安全，对复杂地质条件下隧道洞口段的围岩进行预支护。采用超前锚杆预支护措施，并进行三维有限元数值模拟分析。计算结果表明，隧道拱顶位移<50 mm，边墙位移<45 mm，初期支护的最终安全系数约为5.0，因此用超前锚杆预支护可以保证隧道洞口段支护结构的安全。同时，超前锚杆的最大轴力略>13 kN，并呈阶梯形分布，最大轴力位于锚杆的中间，并向两端逐渐减小，且拱顶位置的锚杆轴力较两边大。

隧道洞口段；超前锚杆；预支护；有限元数值模拟；复杂地质条件

隧道施工中，尤其在洞口段，如果围岩不能自稳，施工将不能进行。因此，控制围岩的稳定性是隧道开挖技术中的重要问题[1-2]。目前常用的方法是预支护工法，包括小管棚、大管棚、注浆及超前锚杆等方法[3-6]。本文着重研究超前锚杆预支护在某单线铁路隧道洞口段施工中的作用。

1 有限元模型及计算参数

为能准确反映超前锚杆在隧道洞口段施工中的作用，特采用有限差分程序FLAC3D 2.0建立三维数值模型，并采用Mohr-Coulomb准则进行计算[7-8]。

由于隧道开挖的影响范围为3～5倍的洞口直径[9-10]，故模型范围确定如下：上部取至地表，并假设地表面具有25°的倾角，左右从边墙向外各取25 m，下部取至仰拱以下20 m，隧道纵向长度取为30 m。模型前后左右均有垂直其面的水平约束，下部有垂直约束，地表为自由边界面。计算中采用8节点6面体实体单元模拟围岩、初期支护及超前锚杆[11]。隧道采用台阶法施工，上下台阶的掌子面距离为6.4 m，每次开挖循环进尺为1.6 m。计算过程中围岩与支护材料的力学参数如表1所示[12-15]。在隧道洞口段，由于沿隧道轴线方向埋深逐渐增加，三维计算结果数据较多，为了能较真实的反映超前锚杆预支护在隧道施工过程中的作用，本文取距洞口8 m处的断面作为研究断面进行分析。

表1 围岩与支护材料的力学参数

图1 控制点布置图

2 初期支护内力及安全系数

对隧道断面取5个控制点进行分析，控制点位置如图1所示。

轴力、弯矩及安全系数随掌子面推进的变化规律分别见图2～4。由图2～ 4可知，拱顶轴力随施工进程呈上升趋势，上台阶开挖到研究断面时，对拱部轴力影响很大，从-46.36 kN变化到-233.93 kN，增大了4倍多，当上台阶继续开挖至距研究断面9.8 m，轴力增长较快，每循环进尺增加40～50 kN，到下台阶施工完毕后，拱部轴力达到-487.62 kN，在以后的施工中，轴力基本上没有较大的变化，一直在-500 kN上下波动；边墙轴力总体呈上升趋势，上台阶通过研究断面时，边墙轴力增加幅度较小，为-17.26 kN变化到-36.7 kN，但下台阶通过研究断面时，边墙轴力增加较大，为-39.56 kN变化到-108.35 kN，这说明边墙轴力主要是由下台阶开挖引起的；墙脚轴力在通过下台阶后一直持续增加，直到下台阶掌子面距研究断面11.2 m(即2倍洞径)左右为止。

图2 初期支护控制点轴力随掌子面推进的变化规律

图3 初期支护控制点弯矩随掌子面推进的变化规律

图4 初期支护控制点安全系数随掌子面推进的变化规律

随着下台阶拱部开挖，弯矩减小，当下台阶开挖到距研究断面1.6 m以后，拱部弯矩又开始增加，这种增加一直维持到下台阶距研究断面11.2 m(即2倍洞径)左右为止；边墙弯矩总体上呈上升趋势，但变化幅度比较小；墙脚弯矩的变化规律与拱顶处相似。

拱部安全系数在通过上台阶后急剧下降，这种下降趋势一直持续到下台阶掌子面距研究断面3.2 m左右为止。在以后的施工中，安全系数变化较小，一直维持在5.2左右；边墙安全系数变化与拱部安全系数具有相同的变化规律，但下降趋势更陡，不过最终维持在5.3左右；墙脚安全系数随下台阶开挖有下降趋势，但幅度较小，最终在9.0以上。根据文献[16-17]，可以判定初期支护能够保证施工安全。

3 洞周位移

取拱顶、边墙、仰拱共4个控制点进行分析，控制点布置如图5所示。控制点位移随掌子面推进的变化规律见图6。

图5 周边位移控制点布置

图6 控制点位移随掌子面推进的变化规律

由图6可知，拱顶位移随掌子面推进呈上升趋势，在上台阶掌子面距离研究断面-6.4 m时，拱顶发生位移，为4 mm，当上台阶掌子面到达研究断面时，位移为16 mm，约占总位移的40%。在下台阶未开挖之前，拱顶位移变化较小，一旦研究断面下台阶开挖后，拱顶位移增长较快，平均每循环进尺位移增幅为1～3 mm，影响距离大约2倍洞径。二次衬砌施工后，拱顶位移基本保持稳定，最终总位移约为42 mm；边墙的变形规律与拱顶相似，基本成线性增加，最终为43 mm；仰拱位移在下台阶掌子面距离研究断面12.8 m时完成收敛，最大为20 mm。

表2 各阶段位移 mm

各阶段位移情况见表2。

由表2可见，拱顶的前期和通过上下台阶时，位移增长较快，而边墙在通过上台阶和下台阶时，位移增长较快。

图7 超前锚杆布置图

4 超前锚杆内力

超前锚杆布置如图7所示。

超前锚杆随着隧道掌子面的不断推进，内力也不断发生变化。为了更好地分析超前锚杆的受力性能，选取距离洞口断面8 m处的一排环向超前锚杆进行研究。分别选取掌子面推进距离为11.2/4.8，22.4/16，/28 m时对超前锚杆的内力进行分析。各工况下超前锚杆的轴力如图8所示，并将相关数据列于表3中。

由图8和表3可以看出：单根超前锚杆所受的轴力呈阶梯形分布，最大轴力位于锚杆中间位置，并向两端逐渐减小；超前锚杆的轴力分布随掌子面推进而变化，这种变化趋势是先增大，后减小；超前锚杆的轴力沿环向的变化规律是：拱顶最大，逐渐向两腰减小。

图8 各工况下超前锚杆轴力图

表3各工况下超前锚杆轴力

第7步超前锚杆编号12345678最大轴力/kN1．974．157．7810．7010．717．784．121．97第14步超前锚杆编号12345678最大轴力/kN5．568．5711．4813．2313．2111．488．545．58第21步超前锚杆编号12345678最大轴力/kN4．087．9610．8812．4412．4110．907．993．97

5 结论

1)采用超前锚杆对复杂地质条件下隧道洞口段进行加固，可以保证隧道洞口段支护结构的安全，主要表现为：① 隧道初期支护的最终安全系数约为5.0，可以判定初期支护在施工期间是安全的。② 隧道拱顶与边墙的位移分别在50，45 mm以内，仰拱位移约为20 mm，满足规范要求。

2)超前锚杆所受的轴力呈阶梯形分布，最大轴力位于锚杆的中间，并向两端逐渐减小。超前锚杆位于拱顶位置时，轴力较两边大，而且离隧道中心线越远，超前锚杆轴力越小。

3)超前锚杆早期和晚期轴力较小，中期轴力较大。超前锚杆承受拉力，最大轴力略高于13 kN。

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Three-DimensionalFiniteSimulationAnalysisofForepolingBoltPre-SupportingatTunnelEntrance

ZHANGJian-guo，WENShu-lian

(SchoolofTransportationandCivilEngineering,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China)

In order to ensure the construction safety of tunnel entrance under the complicated geological condition, the surrounding rock should be pre-supported. The forepoling bolt pre-supporting is adopted and the three-dimensional finite numerical simulation is used to analyze its effect. The calculation results show that when the vault displacement is less than 50 mm and the displacement of side wall is no more than 45 mm, the final safety factor of primary support is about 5.0, so the forepoling bolt pre-supporting can ensure the safety of supporting structure at tunnel entrance. Meanwhile, when the maximum axial force of the forepoling bolt is slightly higher than 13 kN and has a ladder-like distribution, the maximum is located in middle of the forepoling bolt and decreases to two ends gradually, and the axial force of the forepoling bolt in the vault is larger than that of the side walls.

tunnel entrance; forepoling bolt; pre-supporting; finite numerical simulation; complicated geological condition

郎伟锋)

2014-02-26

张建国(1981—)，男，山东临朐人，山东交通学院讲师，主要研究方向为隧道与地下工程.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.03.011

U455.71

A

1672-0032(2014)03-0051-04