浅埋软土工程锚杆作用机理研究及功效评价方法

何晓琴

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆　400067)



浅埋软土工程锚杆作用机理研究及功效评价方法

何晓琴

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067)

摘要：采用有限元仿真模拟对某浅埋黄土隧道有代表性的竖向锚杆及水平向锚杆发挥作用的机理进行了研究，揭示了锚杆与围岩相互作用的原理。

关键词：黄土隧道；锚杆；位移场；轴力；浅埋

1计算结果分析

1.1围岩位移场地对锚杆轴力作用的发挥

工况一计算结果表明，水平向锚杆截面最大拉应力为55.51 MPa，竖向锚杆的最大拉应力值为9.90 MPa，显然水平向锚杆较竖直方向的锚杆受力更大。初步可判定侧墙锚杆较拱部锚杆发挥了较大的作用。

隧道既可能发生拱部坍塌的失稳，也可能发生侧壁失稳定，两种失稳潜在的破裂面如图1所示。对于浅埋的黄土隧道，以拱部的塌方失稳为主，此时整个破裂面整体发生塑向的位移，拱部的锚杆位于潜坍体内，与坍体一并向隧道内方向运动，因此竖向锚杆不能产生较大的轴力。

图1　隧道开挖完成后位移场

针对工况2，沿着竖向锚杆径向提取径向个点竖直方向的位移，沿着水平向锚杆径向提取径向各个点的水平方向的位移，如图2所示。(说明：锚杆的径向起点为初期支护与锚杆交接的位置，方向为沿着锚杆的方向。)从图2可以看出，竖向锚杆3.5 m长度产生的径向位移差值为0.23 mm，水平向锚杆3.5 m长度上的径向位移差值为0.522 mm。可见水平向锚杆施加位置产生了更大的径向位移差值，这是锚杆产生了更大拉力的原因。

黄土隧道可以近似的看做均质围岩，锚杆植入围岩中，围岩产生变形，使锚杆产生轴力，锚杆轴力反作用于围岩，使围岩的变形能得到遏制，增加围岩的稳定性。锚杆与围岩相互作用可以分以下几个步骤进行说明：

图2　竖直锚杆及水平锚杆的径向位移

第一步：锚杆植入围岩，与围岩融为一体。

第二步：随着掌子面向前掘进，掌子面对当前位置的约束越来越弱，导致围岩产生变形，产生沿着锚杆方向的径向位移梯度。

第三步：围岩变形作用于锚杆，锚杆四周产生剪力，锚杆径向产生轴力。

第四步：锚杆受力反作用于围岩，对围岩变形产生约束，使围岩位移得到约束。

为了研究锚杆对围岩位移场的影响，提取锚杆施加前后竖向锚杆径向位移值及水平向锚杆径向位移值。

对于A点(拱顶沉降点)，若不施工锚杆(工况二)竖向位移值为1.301 mm，若施工锚杆(工况一)，A点竖向位移值变为1.271 mm，锚杆的施加使用竖向位移值减少0.03 mm，锚杆使位移减少比率了2.3%。

对于B点(周边收敛点)，若不施工锚杆(工况二)水平向位移值为0.672 mm，若施工锚杆(工况一)，B点水平位移值变为0.588 mm，锚杆的施加使用水平向位移值减少0.084 mm，减少比率为12.50%。

1.3围岩软硬对锚杆功效的影响

为了研究围岩软硬对锚杆功效的发挥，人为的修改黄土的弹性模型2.1×104kPa(工况三、工况四)。工况三计算结果表明，水平向锚杆截面最大拉应力为374.77 MPa，竖向锚杆的最大拉应力值为267.33 MPa，此时锚杆的轴力值大大增加。

提取锚杆施加前后竖向锚杆径向位移值及水平向锚杆径向位移值，如图3所示。

图3　软弱围岩有无锚杆径向位移值

对于A点(拱顶沉降点)，若不施工锚杆(工况四)竖向位移值分别为130.144 mm，若施工锚杆(工况三)，A点竖向位移值变为104.341 mm，锚杆的施加使用竖向位移值减少25.803 mm，锚杆使位移减少比率了19.82%。

对于B点(周边收敛点)，若不施工锚杆(工况四)水平向位移值为67.203 mm，若施工锚杆(工况一)，B点竖向位移值变为34.06 mm，锚杆的施加使用水平向位移值减少33.123 mm，减少比率为49.29%。

可见，围岩弹性模量越小(围岩越软弱)锚杆对围岩位移场的影响越大，但是实际工程中围岩越软弱，锚杆与围岩的粘结越若，难以发挥功效。

3.4支护时机对锚杆功效的影响

以上研究表明，锚杆径向位移场对锚杆的受力有很大的影响，而位移场在很大程度上受开挖进度的影响。Hoek(1999)对Mingtam 某洞室工程的现场实测数据进行了拟合，提出了洞壁径向位移与至作业面距离之间的经验关系式：

(1)

根据式(2)可以做出围岩径向位移—开挖关系曲线图(如图4所示)。图4主要反映了掌子面对于围岩的约束情况。从图中可以看出隧道的变形并非一开挖就完成，随着掘进的深入掌子面对于当前位置的约束能力越来越弱，最终的变形值达到稳定。

图4　围岩径向位移—开挖关系曲线图

根据公式(1)做出围岩径向位移与开挖进度的关系曲线图，如图(4)所示。y为隧道纵向，正方向为掌子面指向洞口的方向，距离掌子面y时，围岩已经发生了大小为的径向位移，作用与锚杆上的变形为。可见：

当时，即开挖后立即施工锚杆，此时已约有30%的位移已经损失掉；

当时，隧道继续开挖将不产生额外的变形，如果这个时候来施工锚杆，锚杆乎不受力，因此在施工时，为了保证衬砌结构的作用能充分发挥，应尽早的支护。

当时，位移几乎为0，说明掌子面前方3倍隧道半径的围岩几乎未受到开挖的扰动；

从以上分析可以得知，锚杆的之所有受力是因为锚杆与围岩融为一体后，围岩的变形带动了锚杆的变形所导致。因此，锚杆受力大小取决于施做锚杆时间与围岩最终变形位移的差值。因此，在黄土隧道中如果锚杆施工过于不及时，将不能起到作用。

2结论及建议

(1)锚杆的受力与围岩的位移场的变化是密切相关的；在浅埋黄土隧道中，由于拱隧道竖向位移梯度较小，拱部的围岩整体发生了竖向的运动，因此拱部锚杆的受力较小，侧墙上产生了较大的位移梯度变化，因此侧墙锚杆受力更大。

(2)锚杆的受力与支护时机是密切相关的，越早支护，围岩产生位移场的变化将更多的作用于锚杆，更容易发挥其功效，因此隧道开挖完成后应立即进行锚喷支护。锚杆与围岩的粘结材料采用早强、速凝材料，待植入围岩的锚杆与围岩形成一体后再进行开挖作业，才能最大限度的发挥其功效。

(3)在软弱围岩中锚杆更容易发挥其功效，但施工过程中要确保锚杆与围岩粘结形成整体，否则锚杆的功效也不能得到发挥。

(4)在某些情况下，锚杆是受力的，但是对围岩的约束是不够的，以锚杆的受力大小来评估锚杆的功效是不合理的，应以锚杆约束围岩变形的能力来评价锚杆的效应的做法是合理的。

(5)本文主要基于浅埋黄土隧道的变形机理对锚杆的功效的机理进行了研究，类似地，深埋黄土隧道锚杆的作用机理也可采用类似方法进行研究。

参考文献：

[1]张乐文，汪稔．岩土锚固理论研究之现状[J]．岩土力学，2002，23(5)：627-631．

[2]铁道路第二勘测设计院．铁路工程设计技术手册—隧道[M]．中国铁道出版社，1995．

[3]公路隧道设计规范(JTG D70-2004)[S]．北京：人民交通出版社，2004．

[4]铁路隧道设计规范(TB1003-2005)[S]．北京：中国铁道出版社，2005．

收稿日期：2016-04-18

作者简介：何晓琴(1970-)，女，重庆南岸人，硕士，主要从事工程管理方面研究。

中图分类号：U417.1

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2016)05-0067-02