锚杆喷射混凝土支护技术在竖井工程中的应用

李恒一

(广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010)

锚杆喷射混凝土支护技术在竖井工程中的应用

李恒一

(广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010)

竖井位于岩石中，一般采用锚杆喷射混凝土技术，目前在地铁区间中有较广泛的应用。文章结合已经施工的深圳地铁9号线孖银区间竖井对锚杆喷锚支护技术进行了数值模拟。

竖井； 数值模拟； 锚杆； 喷射混凝土

随着国民经济的发展和城市化的加快，城市地下空间的开发和利用力度进一步加大。密集城市地下隧道式工程日趋增多。城市地铁竖井工程包括：岩土工程勘察与工程调查、支护结构设计、基坑开挖与支护的施工、地层位移预测与周边工程保护、施工现场量测与监控等[1-4]。

竖井根据不同的地层采取不同支护方式，一般在岩石中采用锚杆喷射混凝土技术、土层中一般采用围护结构+内支撑的支护方式等。

本文通过深圳地铁9号线区间竖井锚杆喷射支护计算并结合现场试验，对锚杆喷射混凝土技术在竖井中的受力情况进行分析，得出一些锚杆受力的特点。根据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001)中4.2.3中第五条，锚头的设计锚固力不应低于50kN。由于本文竖井兼作盾构吊出井尺寸较一般的矿山法竖井大，能否采用此条规范用于设计，本文通过计算进行分析研究并得出结论。

1 工程概况

深圳地铁9号线孖银区间2#竖井为矿山法区间施工竖井兼做盾构吊出井，竖井尺寸为16.4m×11.9m，竖井地层从上到下依次为素填土、粉细砂、黏土、全风化混合岩、中风化混合岩、微风化混合岩，竖井在土层中采用φ1000@1 150mm钻孔桩+旋喷桩止水，竖井位于岩石中采用锚杆喷射混凝土支护。

2 锚杆的作用和效果及施工过程

锚杆主要有以下作用和效果[5]：

(1)支承围岩：锚杆限制约束围岩变形，并向围岩施加压力，从而使处于二维应力状态的洞室表面附近的围岩保持三维应力状态，因而能制止围岩强度恶化；

(2)加固围岩，由于系统锚杆加固作用，使围岩中，尤其是松动区的节理裂隙、破裂面等得以联结，因而增大锚固区围岩强度(即C、φ值)；

(3)提高层间摩阻力，形成“组合梁”，对于水平或者缓倾斜的层状围岩，用锚杆群能把数层岩层连在一起，增大层理间摩阻力，从而形成“组合梁”；

(4)“悬吊”作用：所谓“悬吊”作用是指防止个别危岩的掉落或者滑落，用锚杆将其同稳定围岩联结起来。

由于本竖井喷锚支护位于微风化混和岩中，锚杆主要起到提高层间摩阻力的作用，锚杆施工过程：竖井开挖→喷射混凝土→挂钢筋网→锚杆施工→复喷混凝土至设计厚度。

3 数值模型

本施工过程模拟运用有限元软件Midas-GTS建立模型分析。

模型基本假定：采用Mohr-Coulomb本构模型，模型的大小为92m×65m×65m。竖井上部钻孔桩范围内的土层20m，以土荷载20×20=400kPa的形式加载到地面上。研究断面在计算时，约束左、右边界的水平位移，约束下边界的竖向位移，上边界为自由界，且在上边界考虑活载的因素，由于本竖井兼作盾构吊出井，取活载值为70kPa。

由于模型所在区域为地应力地段，地应力仅以岩层自重作为考虑；计算模型的位移边界和应力边界为左面边界(X=0m和X=92m)、前方边界(Y=0m和Y=65m)为位移约束边界，约束水平方向的位移；模型的底面(Z=-65m)也为位移约束边界，仅约束垂直方向的位移。

计算参数如下：竖井内净空尺寸为7.5m×65m，喷射混凝土厚度为150mm，采用板单元进行模拟；地面考虑活载70kN/m。三维有限元计算模型如图1和图2所示。计算土体、衬砌及锚杆的物理力学参数见下表1。

表1 围岩及支护参数表

图1 工况一模型

图2 工况一竖井喷锚支护模型

4 计算分析

锚杆位移和受力见图3～图6。

图3 锚杆位移图一

图4 锚杆位移图二

图5 不同深度处锚杆位移

图6 锚杆受力

由图4～图6可以看出，竖井深度为1m时，最大位移为0.048mm，最小位移为0.023mm；竖井深度在5m时，最大位移为0.018mm，最小位移为0.012mm；竖井深度为10m时，最大位移为0.0062mm，最小位移为0.0039mm。可以看出，锚杆的位移随着开挖深度也是逐渐变小的，在同一深度锚杆头到锚杆端部的位移也是逐渐减小的。

由图6锚杆轴力图，可知锚杆轴力在同一深度时，最大

轴力在锚杆的中部，两端逐渐减小；随着竖井的开挖，锚杆的轴力逐渐减小。

由图6可知锚杆轴力最大值为97.36kN，设计中采用直径22mm的锚杆长3m，间距为1m×1m。

根据《深圳市基坑支护技术规范》(SJG05-2011)式10.2.7-1

Nu，k=πDmqsikLi=3.14×0.04×500×3=188.4kN>KtNk=1.8×97.36=175.25kN，满足规范要求。

5 结论

(1)锚杆的位移随着开挖深度也是逐渐变小的，在同一深度锚杆头到锚杆端部的位移也是逐渐减小的；

(2)可知锚杆轴力在同一深度时，最大在锚杆的中部，两端逐渐减小；随着竖井的开挖，锚杆的轴力逐渐减小；

(3)盾构竖井，由于地面超载取值为70kPa，其锚杆支护的抗拔力不小于50kN,不一定满足设计要求，故在实际设计时需进行计算，明确锚杆轴力值，确保施工的安全，实际施工中，施工单位对锚杆进行抗拔试验，锚杆的抗拔力为135kN。

[1] 陈云生,刘佑荣,胡斌,等. 武汉地铁2号线广虎区间竖井开挖与支护模拟仿真分析[J]. 工程勘察， 2010，(3)

[2] 漆泰岳,陆士良. 锚杆单元模型及其应用[J]. 中国矿业大学学报， 2003，(5)

[3] 漆泰岳. 大变形巷道锚杆力学特性的数值模拟[J]. 西安科技学院学报， 2003，(4)

[4] 赵杰, 邵龙潭.深基坑土钉支护的有限元数值模拟及稳定性分析[J].岩土力学, 2008, 29 (4):983-988

[5] 关宝树.隧道工程施工要点集[M]. 人民交通出版社, 2003

李恒一(1983～)，男，硕士,工程师,注册土木工程师(岩土)，主要从事岩土工程方面的设计与研究工作。

TU94+2

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[定稿日期]2015-03-31