公路隧道散体围岩中锚杆支护优化布置研究

刘熙媛,张 冲，曹富兴 ，宋宜祥

(河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401)

0 引言

软弱围岩隧道的设计和施工一直是隧道工程中的重点和难点。散体围岩作为一种特殊软弱围岩，主要结构形状为碎石状、颗粒状，岩体节理发育、结构面组合错综复杂，具有松散、破碎、层理、节理和裂隙发育、易风化、水解、膨胀和软化等特点[1]。散体围岩由于自身结构松散，强度较低，易受外界扰动而失去承载力。但是，在散体围岩隧道进行系统锚杆注浆支护时，往往由于钻孔难、对围岩扰动大、注浆质量难以保证、施工工序增加、支护成环滞后等原因导致出现拱顶沉降加大甚至坍塌等问题，给工程安全造成严重的危害。一些学者针对软弱围岩取消系统锚杆展开了研究。陈力华[2]等用有限元强度折减法计算了不同地质条件下锚杆对隧道安全系数大小的影响，得出在很多地质条件下系统锚杆对公路隧道稳定性影响不大，建议可以逐步开展取消系统锚杆的工程试验验证。陈建勋[3]等在某黄土隧道中进行了设置或取消系统锚杆的试验，研究表明，系统锚杆在黄土隧道中对结构的稳定性作用不大，可以取消。杨善胜[4]在进行现场试验和有限元数值模拟分析后，提出在复合式衬砌结构初期支护时，可采用“钢喷”的支护型式，在这种支护型式下取消了系统锚杆。周宇[5]对厦门海底隧道两端陆域软弱地段大断面浅埋暗挖施工的数值模拟与现场实测数据进行综合分析发现，采用锁脚锚管能有效控制开挖过程中软弱地段的整体下沉，降低拱部、右侧拱肩和左侧边墙塑性区范围，提高初期支护安全性。宋秉元[6]和雷权有[7]在锁脚锚杆长度、打入角度和打设位置方面进行了研究。合理的锁脚锚杆长度和打入角度能够有效地限制围岩的变形和发挥支护结构承载能力。郑俊杰[8]等通过对大断面隧道锚杆设置优化，建议在拱部和边墙都设置锚杆。王晨昭[9]研究得出若锁脚锚杆的作用效果不好，可以采用加强超前预支护技术，同时增加锁脚锚杆的数量来减小沉降。陈鉴光[10]等指出要严格控制上台阶长度与初期支护闭合时间，加强锁脚锚杆质量。

综上所述，公路散体围岩隧道支护方式仍需深入探究。本文依据徐东强[11]发明的实用新型专利技术“公路隧道钢拱架与预应力锚杆一体化支护结构”，研究散体围岩隧道取消系统锚杆的可行性，对隧道散体围岩系统锚杆和锁脚锚杆进行优化布置。提出新型锁脚锚杆支护方案，尝试逐步取消一定范围系统锚杆，在拱肩、拱腰、拱脚打设锁脚锚杆。锁脚锚杆采用注浆锚杆，使锚杆一端与围岩胶结在一起，另一端锚杆托板与钢拱架焊接连接固定，钢拱架之间采用钢板纵向连接固定。在此方案基础上提出增强支护方案。采用数值分析方法与常规系统锚杆设计方案进行对比，分析支护结构的安全性、关键点位移、塑性区和锚杆轴力等，确定支护布置方案的合理性与适用性，达到优化方案的目的。

1 工程概况

延庆至崇礼高速公路起自延庆大浮坨村西侧，止于崇礼太子城，是2022年冬奥会交通的主通道和交通重点项目。全长约116 km，被交通运输部列为第一批绿色公路典型示范工程。

选取该高速公路某特长隧道作为试验段。该分离式隧道围岩为Ⅲ-V级，呈强风化～中风化，洞身处围岩总体呈中～微风化状，局部岩性侵入带、接触带、构造裂隙带、沟谷处的围岩整体性差。隧址区的地下水主要为基岩裂隙水，岩体含水量少，整体属于贫水区。结合掌子面围岩情况判断，试验段围岩为强风化花岗岩，节理发育，较破碎，围岩完整性与稳定性差。

综合考虑前期地质勘察报告、施工地质情况和隧道地震波超前地质预报、现场围岩分级测定参数。依据《公路隧道设计规范》(JTG 3370.1-2018)和《公路隧道设计细则》(JTG-T D70-2010)中现场围岩分级标准，利用围岩基本质量指标修正值大小进行判定，岩石质量指标[BQ]≤250。确定该里程段为散体围岩地段，隧道围岩级别为Ⅴ级。

2 隧道计算模型与参数选取

2.1 计算模型的建立

该试验段隧道深埋200 m，隧道Ⅴ级围岩深埋段衬砌横断面图如图1所示。采用ANSYS对隧道进行建模和划分网格单元，再应用FLAC3D进行衬砌、锚杆、钢拱架和围岩的模拟。对隧道围岩初期支护模型进行网格划分时，靠近隧道开挖的部分网格划分较密集，较远的位置则划分较稀疏，并尽可能地划分为六面体单元[12]。

图1 隧道Ⅴ级围岩深埋段衬砌横断面Figure 1 Cross section of lining of deep buried section of tunnel Ⅴclass surrounding rock

本试验段地下水不发育，因此在数值计算中，初始应力场仅体现自重应力、不考虑地下水的作用。为消除开挖所引起的边界上的位移影响，在隧道断面的中心点至左右边界各取3～5 倍的洞室跨度，在上下边界取 3～5 倍的开挖高度。几何模型计算范围为：模型沿隧道长度方向取y=50 m，隧道断面宽度方向取x=100 m，隧道高度方向(z轴)向上取50 m，向下取50 m。在模型顶部z=50 m这个界面上施加z方向的常压应力2.988 3 MPa，模拟顶部以上150 m埋深的自重应力。隧道开挖采用预留核心土法开挖，计算模型如图2所示。

图2 计算模型Figure 2 Numerical simulation model

2.2 本构模型和材料参数选取

围岩的本构模型采用霍克布朗(Hoek-Brown)模型，隧道开挖采用空模型，支护与衬砌结构采用弹性模型[13]。

散体围岩中的注浆锚杆支护单元模拟选择 pile 单元。采用shell单元模拟隧道初期支护的C25喷射混凝土层、钢拱架和钢筋网。根据式(1)计算得到初期支护等效条件下的弹性模量，以确保钢拱架之间形成一体化连接。

(1)

式中：E为折算后的混凝土弹性模量；sc为混凝土截面面积；Ec为原混凝土的弹性模量；sg为钢拱架或钢筋网截面面积；Eg为钢材弹性模量。

隧道二衬采用C35钢筋混凝土，选取弹性本构模型。隧道超前支护在拱顶 120°范围内进行超前小导管支护，超前小导管采用 beam 单元模拟。围岩模型参数如下：围岩级别Ⅴ，弹性模量E为0.997 GPa，泊松比μ为0.41，密度ρ为2 000 kg/m3，修正[BQ]值为214。锚杆单元参数如下：单元类型为pile单元，弹性模量E为200 GPa，横截面积0.007 85 m2，泊松比μ为0.2，轴向抗拉强度260 kN。超前注浆小导管参数如下：横向间距0.45 m，纵向间距0.75 m，角度15°，长度4.5 m，弹性模量E为110 GPa，泊松比μ为0.3。初衬、二衬参数见表1。

表1 初衬、二衬参数Table 1 Parameters of primary and secondary lining

2.3 隧道开挖方案和支护结构施工工艺

模型研究对象为Ⅴ级围岩，围岩自承能力较弱，为减少开挖对围岩的扰动，采用预留核心土法开挖。因篇幅有限，以系统锚杆为例子进行说明，施工工艺流程为：①拱部超前支护→②拱部环形开挖→③上半断面初期支护(喷射混凝土、安设锚杆、挂钢筋网、架钢拱和喷混凝土)→④核心土开挖→⑤下半断面开挖→⑥边墙与仰拱初期支护→⑦浇筑仰拱→⑧全断面模筑二次衬砌混凝土。模拟隧道开挖示意图如图3所示。

图3 模拟隧道开挖Figure 3 Simulated tunnel excavation

3 支护方案模拟

本文提出在散体围岩中取消系统锚杆的新型锁脚锚杆支护方案，如图4所示。因为隧道拱顶支护断面为拱形，支护结构拱顶所受的竖直围岩压力将会传递到拱肩处，对拱肩处的承载力和刚度有较大要求，所以拱肩钢拱架接头处的锁脚锚杆支护需要加强。因此在隧道拱肩左右各打设4根RD25中空锁脚锚杆，前后2排间距为0.75 m，每排上下各一根。隧道拱腰、拱脚钢拱架接头处左右各打设2根RD25中空锁脚锚杆，前后2排间距为0.75 m，每排一根。锁脚杆长4 m，端头与钢拱架焊接固定，下插角15°。

图4 新型锁脚锚杆支护布置方案Figure 4 New locking foot anchor arrangement scheme

为了探究散体围岩隧道中系统锚杆与锁脚锚杆布置方案的合理性，首先对常规系统锚杆支护与新型锁脚锚杆支护方案进行了对比，然后提出针对新型锁脚锚杆支护的2种增强支护方案，如图5所示，具体布置方案见表2中的方案3和方案4。4种方案中，锚杆对称布置，分别选取1～18不同位置的锚杆进行组合分析，为后续现场试验提供方案选择和理论支撑。

图5 锚杆位置示意图Figure 5 Schematic diagram of anchor position

表2 模拟支护方案布置方案Table 2 Simulation support plan layout plan

根据《公路隧道设计规范》和现场公路隧道监控量测经验，对模型拱顶、拱肩、拱腰、拱脚和拱底5处共8个特征点位进行数值模拟监测，见图6。

图6 测点布置示意图Figure 6 Schematic diagram of measuring point layout

3.1 主应力分析

根据莫尔强度理论和 Hoek-Brown 屈服准则的假设，岩石的强度值与第二主应力的值无关。因此本文对第二主应力不进行分析，只对第一主应力和第三主应力进行分析。

首先对方案1和方案2进行分析。方案 1 第一主应力云图中，二衬结构洞周压应力最大值为11.3 MPa。第三主应力云图中，围岩与衬砌各部位均受压应力，且数值较小。方案1满足隧道围岩与衬砌结构的安全稳定。方案2第一主应力云图如图7所示，衬砌结构拱脚部位最大压应力值为11.7 MPa。第三主应力云图中，在拱顶二衬处出现2.95 MPa 的最大拉应力，超过 C35 混凝土抗拉强度标准值2.2 MPa，会引起拱顶二衬结构受拉破坏，不宜作为散体围岩中的锚杆支护方案选择。因此，本项目在新型锁脚锚杆支护方案基础上，计算对比2种增强支护的方案3和方案4。

(a) 第一主应力

(b) 第三主应力

方案3中，在第一主应力云图中二衬结构拱脚部位出现16 MPa 的最大压应力。第三主应力云图中在拱脚出现1.9 MPa 的最大拉应力，而拱顶二衬拉应力小于 1 MPa，均小于二衬 C35 混凝土抗拉强度标准值。方案 4在新型锁脚锚杆支护的基础上加强拱顶超前小导管注浆。在拱脚二衬出现 18 MPa 最大压应力；第三主应力图中，在拱底二衬出现2.95 MPa 最大拉应力，拱底二衬拉应力大于 C35 混凝土抗拉强度标准值，容易破坏。综上分析，2种支护方案需对拱脚部位注浆加固和拱底仰拱支护。

3.2 位移关键点分析

考虑隧道临空面距离、临空时间和隧道掌子面开挖扰动时间的影响，监控断面选取在隧道计算模型轴线方向15 m处。对拱顶的沉降值，拱底隆起值，拱肩、拱腰和拱脚的水平收敛值进行监测。如图8所示，各设计方案关键点位移相差不大。

图8 各方案15 m断面处关键点位移Figure 8 Displacement of key points at 15 m section of each scheme

选取方案 4，对距离掌子面不同距离关键点位移变化进行分析，监测点与掌子面的距离根据开挖步数得出，如图9 所示。开挖过程中会对掌子面前方岩体造成扰动，在掌子面前方 6 m处作用较明显，开挖至监控断面时，拱顶沉降值为6.85 mm，拱底隆起值为6.88 mm。因此散体围岩隧道开挖过程中提前做好超前支护很有必要。在隧道掌子面开挖至距监测断面后12 m过程中，拱顶沉降值达到26.30 mm，拱底隆起值达到27.71 mm。拱肩、拱腰和拱脚收敛值也有了较大的增长。此时隧道围岩变形急剧增加，对围岩扰动最为明显，此时隧道围岩变形急剧增加， 因此开挖过程中需要及时做好衬砌支护。在开挖至距离监测点后 12～30 m 的过程中，监测点围岩变形增加缓慢直至稳定平衡，此时由于后期加固支护的及时施加，有效抑制围岩变形，围岩变形达到稳定。方案4与方案1相比拱顶沉降值增加了9.23%，拱肩收敛值增加了10.58%，拱腰收敛值减少了10.59%，拱脚收敛值减少了3.81%，拱底隆起值减少了3.04%。方案4较方案1使用锚杆数量减少，在加强超前注浆、减少围岩扰动和初期支护时间方面优势明显，有利于隧道变形稳定。

图9 方案4隧道断面y=15 m处距掌子面不同距离关键点位移变化图Figure 9 Scheme 4 The displacement change diagram of key points at different distances from the tunnel face at y=15 m of the tunnel section

3.3 塑性区分析

对比分析各方案开挖支护完成后的塑性区体积，如图10所示。隧道拉压破坏占主要部分，剪切破坏占的比重较小。相比方案1，方案3和方案4塑性区体积减少了43.3%和41.9%，塑性区体积均减少较为明显。选取方案3与方案4塑性区体积分布图进行分析，如图11，2种方案隧道塑性区主要出现在拱顶部位，2个方案的二衬均未出现塑性破坏，充分发挥了其支护安全储备能力。

图10 各设计方案塑性区体积图Figure 10 Volume diagram of the plastic zone of each design

(a) 方案3塑性区体积分布图

(b) 方案4塑性区体积分布图

3.4 锚杆轴力分析

方案 3和方案 4锁脚锚杆部分轴力分布趋势类似，因此选取方案 3的锚杆轴力分析。锚杆编号1～编号 4(拱顶系统锚杆)主要受轴向拉应力，最大值在160 kN附近波动，拱部系统锚杆能充分发挥其“悬吊”作用。拱肩的锁脚锚杆主要承受压力，最大压应力为120. 95 kN。拱腰的锁脚锚杆轴力最大值为164. 51 kN，呈现受拉状态，能够限制围岩收敛变形。方案3拱脚的锁脚锚杆轴力最大值为1.17 kN，方案4拱脚的锁脚锚杆轴力最大值为42.75 kN，2种方案拱脚锚杆均处于受拉状态，可发挥其“微型桩”作用。由于拱脚锁脚锚杆轴力较小，起不到主要的加固作用，可通过注浆对该处围岩进行加固，提高拱脚衬砌的稳定性。

4 隧道现场关键点位移监测

根据前期超前地质预报和围岩分级确定某隧道右洞K18+910～K18+820段为散体围岩地段，在此区段内进行现场试验，方案3选取的区段为K18+854～K18+832，方案4选取的区段为K18+892～K18+870。隧道开挖后，在初期支护完成后再隧道拱顶、拱肩、拱腰、拱脚等关键点布置反光片，通过采用全站仪进行观测，测量隧道拱顶沉降、拱肩、拱腰、拱脚收敛,见图12。

图12 隧道监控量测位移变化图Figure 12 Displacement change chart of tunnel monitoring measurement

根据图12可知各关键位移变化在掌子面开挖后前期增长较快，在第30天后基本达到平稳。各方案监测点位移最终值为：方案3拱顶沉降31.67 mm，拱肩收敛14.41 mm，拱腰收敛16.29 mm，拱脚收敛9.3 mm(未平稳反光片被破坏)。方案4拱顶沉降25.4 mm，拱肩收敛15.22 mm，拱腰收敛16.22 mm，拱脚收敛17.65 mm。2种方案的拱肩、拱腰和拱脚水平收敛值相近，在16 mm上下波动。

在方案4当中，由于前期洞室未开挖前强化对掌子面前方围岩进行超前加固，围岩已经形成较厚加固圈层，能有效抑制围岩位移，因此拱顶沉降值较小。方案 3 由于前期洞室未开挖前也对掌子面前方围岩进行超前加固，围岩形成一定厚度加固圈层，且避免后续因打设系统锚杆钻孔造成的加固圈层破坏和围岩扰动，能一定程度上抑制围岩位移。

由表3可知，方案3中数值模拟与现场试验的拱顶沉降相差最大，差值为2.88 mm。方案4中数值模拟与现场试验的拱腰收敛相差最大，差值为4.91 mm。数值模拟与现场监测结果中拱顶沉降、拱肩收敛、拱腰收敛和拱脚相比差距较小，可以证明数值模拟的准确性。

表3 数值模拟与现场监测结果对比表Table 3 Comparison of numerical simulation and field monito-ring resultsmm

综合现场监控量测结果与数值模拟计算结果分析得出，散体围岩隧道中采用新型锁脚锚杆支护方案基础上，加强超前小导管支护的方式能最好地抑制围岩变形。另外，在采用新型锁脚锚杆支护方案基础上，在拱顶局部打设注浆系统锚杆也是较好的方式。

5 结论

通过对初期支护系统锚杆和锁脚锚杆的优化布置，得出以下结论：

a.通过与传统系统锚杆支护方案对比，提出了散体围岩中采用新型锁脚锚杆支护方案，并针对新型锁脚锚杆支护提出对拱顶局部打设系统锚杆(方案3)和加强超前小导管支护(方案4)的2种增强支护方案。

b.对比分析4种支护方案的第一主应力和第三主应力，方案1、方案3和方案4能够满足隧道结构安全性要求。分析塑性区破坏体积，2种增强支护方案塑性区均较小，二衬均未破坏。能充分发挥其支护安全储备能力。

c.散体围岩隧道开挖对掌子面前方围岩扰动明显，应提前做好超前支护。掌子面开挖过后隧道围岩变形急剧增加，开挖过程中需要及时做好初衬支护。2种增强支护方案在加强超前注浆、减少围岩扰动和初期支护时间方面优势明显，有利于隧道变形稳定。

d.对增强2种方案锚杆力学状态进行分析，拱部系统锚杆能充分发挥其“悬吊”作用。拱肩锁脚锚杆承受较大压应力。拱腰部分的锁脚锚杆处于受拉状态，能够限制围岩收敛变形。拱脚处锁脚锚杆可发挥其“微型桩”作用，锚杆轴力较小，起不到主要的加固作用，需要注浆对该处围岩进行加固。

e.将数值模拟计算结果与现场监控量测结果进行对比分析，数值相差较小，可以从侧面证明数值模拟计算的准确性。

综上，散体围岩隧道在200 m埋深情况下，如果取消全环系统锚杆，可以采用新型锁脚锚杆增强支护方案，即：在拱肩、拱腰、拱脚等钢拱架接头处打设注浆锁脚锚杆，并将锚杆端头与钢拱架焊接固定，同时在拱顶局部打设注浆系统锚杆或加强超前小导管注浆。这2种支护方案在取消系统锚杆的情况下，能保证隧道围岩与衬砌结构的安全性与稳定性，对于隧道支护方案的优化具有指导意义。