深埋黄土隧道拱腰部锚杆支护的必要性研究

胡昆昆 赵亚伟 赵越超 刘振华

摘要：为了检验拱腰部位锚杆支护结构的对黄土隧道沉降的作用，本文以兰秦快速公路付家窑隧道为工程依托，利用MIDAS/GTS有限元分析软件分两种工况对该问题进行探究，得出如下结论，对于浅埋隧道，在拱腰部设置锚杆支护，能够降低隧道拱顶沉降，但效果不明显，考虑到工程造价等问题，对于深埋黄土隧道不建议在拱腰处加锚杆。

关键词：深埋黄土隧道；锚杆支护；拱腰；隧道沉降

一.依托工程背景

付家窑隧道是甘肃省内第一座大断面黄土隧道，隧道开挖宽度为17m，开挖高度为11m，最大埋深114米，最小埋深为14m，隧道全长范围内为V级围岩，隧道区域地层为第四系全新统冲洪积黄土状砂质粉土，上更新统风积黄土及上更新统冲积黄土状夹细砂层

二.模型建立及分析

利用MIDAS/GTS有限元软件，以依托工程为背景，对隧底拱腰未设置与设置锚杆支护处理的隧道施工过程分别进行二维数值模拟，建立如图1所示有限元分析模型，模型选取付家窑隧道洞身深埋段，根据圣维南原理，隧道开挖之后，在距隧道洞室中心点3～5倍洞径范围内存在围岩应力应变。3倍隧道开挖宽度处的应力变化一般在10%以下，5倍隧道开挖宽度处的应力变化一般在3%以下[40]。所以，对隧道的施工过程进行二维数值模拟时，计算边界的取值宜在隧洞3～5倍的开挖宽度范围内。付家窑隧道深埋段采用CD法开挖，开挖宽度约为17m，因此将二维模型地层宽度设为左右边界距隧道中心各60m，下边界距隧道开挖断面底部60m，上边界取至自由表面，由于模拟深埋断面（YK0+785），结合隧道实际情况，上边界取值约为距隧道拱顶68.5m，其中，表层约20m为自重湿陷性黄土。模型共划分4898个单元、4315个节点：

由于兰秦快速路付家窑隧道所处的地质水文条件、气候以及岩体本身所具有的特殊性，目前难以完全准确的通过数值模拟反映现场隧道施工过程的实际情况，本文数值模拟时基于以下基本假定：

1.采用模型的岩体材料性质均假定为均质、各向同性；

2.模型采用较为适用岩土材料的Mohr-Coulomb准则，支护结构中的喷射混凝土和锁脚锚杆均视为线弹性材料，不考虑非线性；

3.岩土体的初始应力场仅考虑自重应力；

4.超前小导管注浆的效果采用提高加固圈物理参数的方法来模拟其作用效果，并将钢拱架及钢筋网的支护作用换算给喷射混凝土；

5.不考虑偏压及空间效应，隧道的受力和变形为平面应变问题。

围岩及支护参数如表1.1所示

在隧道開挖之后，由于围岩失去了原有的支撑，破坏了围岩的初始应力状态，围岩将朝向隧道的内部移动。在隧道的洞周一定范围内会引起围岩位移，将形成新的应力场。通过MIDAS/GTS对隧道施工过程进行数值分析过程中，可利用“激活”和“钝化”功能对隧道的开挖及支护过程进行模拟。

1.工况一：拱腰部设置有锚杆支护体系

工况一情况下，隧道开挖完成后围岩变形如图2所示，最大位移在拱顶处为17.8cm，拱腰部沉降较小为1cm左右，隧道施工完成后，主要的沉降在拱顶处：

2.工况二：拱腰部没有设置锚杆支护体系

工况二情况下，拱腰部位不设置锁脚锚管，隧道施工完成后竖向变形图，如图3所示，最大位移在拱顶处为18.2cm，沉降主要发生在拱顶。

通过对两种工况下黄土隧道的施工完成后围岩变形的分析得出如下结论：

三.结论

1.隧道的沉降主要发生在拱顶及其周围，因此在施工过程中对拱顶沉降的监测显得尤为重要。拱腰部位加锚杆支护，对其拱顶沉降影响较小

2.拱腰部的竖向沉降较小，锚杆支护对其沉降的影响可以忽略。

对于黄土隧道，在拱腰部加锚杆支护对其拱顶下沉有一定的控制作用，对拱腰的影响可以忽略，因此对于黄土隧道来说，拱腰部设置锚杆支护的意义不大。

参考文献：

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作者简介：胡昆昆（1991—），男，汉族，河南平顶山人，学生，研究生在读，单位：长安大学，特殊地区公路工程教育部重点实验室，研究方向：岩土与隧道工程。