隧道掌子面超前锚杆连续交替式布设方案研究*

郑 超 吴学震 邓 涛 关振长 杨黎宏

(①福州大学土木工程学院，福州 350116，中国)

(②福建路桥建设有限公司，福州 350002，中国)

0 引 言

软弱围岩隧道开挖后，围岩自稳性差，如若施工不当，极易引发大变形灾害。因而，如何确保软弱围岩隧道的施工安全一直是工程界研究的热点问题(范新宇等，2019；黄维新等，2019；李天斌等，2019；周亚东等，2019)。掌子面稳定是隧道安全施工的基本前提，然而在软弱围岩隧道中掌子面不稳定问题十分常见。掌子面不稳定问题轻则表现为掌子面围岩局部松动掉块，重则进一步引发侧壁围岩变形和拱顶坍塌(刘大刚等，2018)。目前，控制掌子面变形的主要技术手段包括：预留核心土、掌子面喷射混凝土、掌子面锚杆等(关宝树，2011；李鹏飞等，2014)。预留核心土是较为常用的方案，然而对施工组织影响较大，会显著降低施工速度；掌子面喷射混凝土虽便于施工，但掌子面天然形态导致喷射形成的混凝土层找不到有效持力点，尤其在大断面隧道的情况下，掌子面喷射混凝土方案支护效果有限。相较之下，掌子面超前锚杆不仅能够深入岩体内部，为掌子面提供强有力的支护效果，而且不占用施工空间。同时，杆体可采用高强且易于切削的玻璃钢纤维(王洋等，2018)，方便机械化施工，具有十分广阔的应用前景。

国内外许多学者针对隧道掌子面超前锚杆的支护效果展开了理论和现场试验研究。Dias(2011)为了探究掌子面超前锚杆的支护作用机理，在特定的掌子面破坏模式下，分析了锚杆的拉应力、切应力以及弯矩对于掌子面稳定性的影响。Date et al.(2009)通过离心试验对掌子面锚杆在浅埋砂层隧道中的支护作用效果进行分析，结果表明掌子面锚杆可以有效地降低掌子面应力释放。Kyoungwon et al.(2006)为使得掌子面锚杆的支护效果得到充分发挥，对其安装角度进行了研究。朱浩波(2015)采用竹条模拟掌子面锚杆，对隧道开挖过程中掌子面锚杆的支护过程进行室内试验研究，结果表明掌子面锚杆可以明显地提升掌子面及其前方地层的围岩强度。洪开荣等(2014)采用数值模拟的方式对掌子面锚杆的支护效果进行研究，结果表明掌子面锚杆在控制隧道先行变形以及掌子面挤出变形方面均有效果。李斌(2014)以雅沪高速公路石棉隧道为工程背景，对地震作用下隧道掌子面锚杆的支护效果进行数值模拟研究，认为掌子面锚杆能够增强掌子面的抗地震性能。祁宝贵(2019)以银瓶山软岩隧道为工程背景，通过数值模拟研究超前锚杆结合掌子面锚杆的支护方案对于软岩隧道大变形的控制作用，并应用于现场实践取得了良好的支护效果。刘诚等(2016)对野猪山隧道右线出口段掌子面锚杆的应用效果进行评价，认为掌子面锚杆可以有效地控制围岩变形，保持隧道稳定。展宏跃(2017)针对重载铁路隧道穿越富水砂层时掌子面难以稳定的问题，采用掌子面锚杆有效控制了掌子面失稳风险。

然而，现阶段针对于掌子面锚杆布设方案的研究甚少，不论是在理论或是现场实践研究中所采用的掌子面锚杆布设方案较为单一，其主要布设参数包括加固密度、支护长度以及搭接长度。该方案在实际应用时，掌子面锚杆会随着隧道的开挖而不断被截断，从而导致锚杆的支护长度逐渐缩短，支护效果越来越差。隧道掌子面状态将愈发危险直至锚杆的支护长度缩短至搭接长度，才能进行新一轮的掌子面锚杆施工，重新补强掌子面，属于间断式布设方案。通常为避免该方案中掌子面锚杆支护效果过度弱化，需要保证锚杆具有一定的搭接长度(崔柔柔等，2015；王志杰等，2019)。李斌等(2012)通过研究发现当掌子面锚杆长度增加至一定值后，继续增加对于支护效果的提升程度较少，并将该值确定为搭接长度。如此，为了满足隧道不断推进的需求，掌子面锚杆布设长度在设计时需要远大于搭接长度，必将导致支护的经济效益严重下降。因此，随着掌子面锚杆应用的不断普及，提出一种能够在隧道开挖过程中维持掌子面锚杆支护效果稳定的布设方案将具有很大的工程实际意义。

本文以渭武高速木寨岭公路隧道为工程依托，提出一种连续交替式掌子面锚杆布设方案，有望在不改变常规方案锚杆用量的前提下，维持掌子面锚杆在隧道开挖过程中支护效果的稳定。并进一步结合数值模拟，将该方案与常规锚杆布设方案在支护效果方面进行系统性对比，分析所提出方案的可行性。

1 工程概况

木寨岭公路隧道是渭武高速的控制性工程，位于甘肃省定西市内，横跨漳县、岷县两县。隧道采用分离式双向四车道设计，全长约15ikm，最大埋深约629.1im，设计速度80ikm·h-1。隧道开挖断面面积约为115im2，最大开挖跨度约为13im，最大开挖高度约为11im。

隧道全线均为Ⅴ级围岩，地应力高度集中，断层发育，地质构造极为复杂，岩性以软质炭质板岩为主，岩体破碎，裂隙密集。现场勘测资料显示，隧址范围内地应力以水平构造应力为主，实测最大水平主应力最大值为18.76iMPa，最小水平主应力最大值为15.64iMPa，侧压力系数约为1.4，岩石单轴饱和抗压强度Rc在20～30iMPa之间。按照《公路隧道设计规范》(JTGiD70-2004)对地应力等级的划分标准，隧址范围内Rc/σmax均小于4，属于极高应力区。现场隧道开挖后，围岩自稳时间短，变形速率快，量级大，造成掌子面稳定性差、初期支护结构侵限、破坏等一系列施工难题，严重影响施工安全及施工效率。图1为现场开挖揭露的围岩情况，图2为现场掌子面围岩出现的局部滑塌现象。

相邻的兰渝铁路木寨岭隧道建设和运营过程中也出现了大量问题，对于渭武高速木寨岭公路隧道建设具有重要的借鉴意义。该隧道施工过程中初期支护变形极大，初期支护失效并反复拆换，二次衬砌裂损严重不得不进行大面积重新施作。木寨岭铁路隧道衬砌大面积的开裂大部分发生在衬砌施作后半年左右，局部地段在衬砌施作3年后出现开裂，尤其在岭脊核心段扩拆长度占比达到52.7%。二次衬砌拆换后，新的初期支护和衬砌混凝土总厚度达1.5im，贯通段混凝土厚度达2.1im，是一般隧道混凝土厚度的3倍，用钢量是普通隧道的5倍，施工进展极为缓慢，建设成本急剧增加(师亚龙等，2017；马召林等，2018；叶康慨，2018)。

2 掌子面锚杆布设方案设计

为确保隧道施工的安全进行，针对现场掌子面不稳定问题，综合考虑现场施工条件后，拟采用6im长玻璃钢纤维锚杆(图3)对掌子面进行支护。此项技术在国外的应用已经相当成熟，虽然在国内的应用尚未普及，但也有相当多的应用实例(Lunardi，2001；李小勇等，2017)，如图4所示。掌子面锚杆不仅可以将掌子面表层不稳定围岩固定在深部围岩上，防止掌子面局部围岩滑塌，而且可以提供垂直于掌子面方向的约束压力，将掌子面由平面应力状态转化为更加稳定的三向应力状态，改善掌子面围岩的受力形式，是一种十分有效的掌子面支护措施。

考虑到掌子面锚杆在本实例中布设的长度较短，主要发挥稳定掌子面的作用，如若采用常规的掌子面锚杆布设方案，锚杆的支护效果会随着开挖的进行很快丧失，虽然提高搭接长度能保证支护效果，但会使得掌子面锚杆支护方案的经济性大幅下降。为解决该问题，本文提出了一种连续交替式掌子面锚杆布设方案。为对比分析该方案的可行性，在锚杆用量相同的条件下，同时对常规间断式锚杆布设方案以及所提出的连续交替式锚杆布设方案进行设计。

2.1 常规间断式布设方案设计

根据掌子面锚杆常规间断式布设方案的设计思路，对拟支护开挖断面进行掌子面锚杆支护设计。国内隧道掌子面锚杆的平面布设方式主要包括梅花形布设以及矩形布设，由于采用梅花形布设可使得锚杆在掌子面上的分布更加均匀，因而受到的工程应用更为广泛(刘佳楠等，2019；祁宝贵，2019；肖红武，2019)。鉴于此，本次设计同样采用梅花形布设。最终确定的支护参数为，掌子面锚杆采用间距为1.5im×1.5im的全断面梅花形布设，共布设101根锚杆，布设密度约为0.88根·m-2，图5为确定的掌子面锚杆布设点位图。每根锚杆长6im，搭接长度为2im，掌子面锚杆支护状态在纵向上的变化如图6所示。掌子面锚杆用量随隧道开挖总进尺的变化满足如下关系：

(1)

式中：y为掌子面锚杆用量(m)；x为隧道开挖总进尺(m)；a为单根锚杆长度(m·根-1)；b为开挖断面上锚杆总数(根)；c为锚杆搭接长度(m)。

2.2 连续交替式布设方案设计

与常规间断式锚杆布设方案每次均在所有的锚杆设计点位上布设锚杆不同，连续交替式布设方案将掌子面上的所有锚杆设计点位划分为若干个部分在隧道推进过程中进行连续逐部分交替布设。划分数量取决于隧道单次开挖进尺以及掌子面锚杆长度。确保在每次开挖结束后，下一轮掌子面锚杆施工点位上的所有锚杆均被挖除。

按照此方案进行掌子面锚杆布设，可以使得掌子面上的锚杆支护数量以及支护长度总和在隧道开挖的过程中始终维持在稳定水平，有望实现掌子面锚杆支护效果的稳定。同时该方案也可以将原本需要在一个断面内完成的锚杆布设工程量均分在每个开挖断面上，更加有利于开挖断面的稳定。

2.2.1 锚杆布设数量确定

根据掌子面锚杆连续交替式布设方案的设计思路，确定出掌子面锚杆用量与隧道开挖总进尺之间的关系如下：

(2)

式中：y为掌子面锚杆用量(m)；x为隧道开挖总进尺(m)；a为单根锚杆长度(m·根-1)；b为开挖断面上锚杆总数(根)；c为隧道单次开挖进尺(m)，按现场实际施工取2im。

为保证两种方案锚杆的用量在同一水平上，联立式(1)与式(2)。通过试算，确定出采用交替锚杆布设方案时，掌子面上的锚杆总数约为147根，密度约为1.28根·m-2，并由此估算出锚杆布设间距约为1.2im×1.2im。两种方案锚杆用量对比如图7。掌子面锚杆总体布设点位如图8。

2.2.2 锚杆布设点位确定

掌子面锚杆的布设长度为6im，隧道单次开挖进尺为2im，因此需要将图8所示的掌子面锚杆总体布设点位划分为3个部分进行连续交替布设，便能在经历前两个初始布设断面后，实现每次开挖结束，下一轮掌子面锚杆施工点位上的所有锚杆均被挖除。按照此方案布设，在隧道推进过程中，掌子面将始终处于2im、4im、6im这3种不等长锚杆的支护作用下。掌子面锚杆支护状态随隧道开挖变化的纵向示意图如图9所示，图9a、图9b为前2个初始布设断面。

虽然此方案中的初始布设断面较少，但由于初始布设断面上掌子面锚杆的支护状态尚未达到稳定阶段，支护相对薄弱。在实际应用时，可以根据超前地质预报的结果，将初始布设断面设置在相对较为稳定的岩层中，消除初始布设断面的不利影响；也可以在第1个断面上直接按照稳定后的支护状态布设不等长锚杆，避免初始布设断面的出现。

为使得隧道推进过程中每个掌子面上支护的不等长锚杆分布均匀，需要对锚杆布设点位进行合理划分。考虑到隧道推进过程中，同一部分锚杆布设点位上的锚杆支护长度相同，则锚杆布设点位的划分方式需要满足以下两个条件：

(1)划分得到的每部分锚杆布设点位的数量需相同，即实现均分。如若不同，则在隧道推进过程中，会存在以某种支护长度为主的掌子面锚杆支护状态，相应的会出现以最短支护长度为主的支护薄弱断面。

(2)划分得到的每部分锚杆布设点位不能扎堆存在同一区域内。若扎堆存在同一区域，则在隧道推进过程中，会出现在某一区域内锚杆的支护长度均为掌子面上最短的支护状态，造成区域性的支护薄弱，将有可能导致掌子面出现局部的松动掉块现象。

本方案采用数字编号的方式对锚杆布设点位进行划分。将掌子面锚杆总体布设点位图上的锚杆点位从左至右逐行依次从1～147进行编号，编号为1、4、7……作为第1部分锚杆布设点位，编号为2、5、8……作为第2部分锚杆布设点位，编号为3、6、9……作为第3部分锚杆布设点位。划分后得到的3部分锚杆布设点位如图10所示。

将前述确定的连续交替式锚杆布设方案应用于掌子面支护上，在经历前2个初始布设断面后，掌子面上的锚杆支护状态将在图11所示的3种锚杆支护状态上循环，直至结束掌子面锚杆支护。

3 数值模型及参数

在确定两种不同布设方案的具体参数后，采用有限差分软件FLAC3D，建立与现场实际相吻合的数值模型，将掌子面锚杆分别按照常规间断式布设方案与连续交替式布设方案在数值模型中进行应用。通过系统性对比分析两种方案产生的支护效果，验证连续交替式锚杆布设方案的可行性。

3.1 数值模型

选取木寨岭公路隧道K214+008～K214+250软岩大变形段作为研究对象，该段平均埋深约为520im。模型建立时，为简化计算，取隧道拱顶与模型顶面间距离为40im，其余埋深影响通过在模型顶面施加自重应力进行考虑。模型中的隧道掌子面尺寸与实际工况相同，最大开挖高度为11im，最大开挖跨度为13im，总开挖面积约115im2。模型四周与隧道间的距离，均取3倍以上洞径，以避免计算结果受边界效应影响，最终建立的模型尺寸为116im×100im×90im。模型网格的划分，考虑到数值计算关注的重点在于掌子面的变形情况，因此对掌子面位置以及进深方向上的网格进行局部加密处理。模型共生成848115个节点以及868000个网格，如图12所示。模型四周按照实测地应力赋予应力边界条件生成符合实际的高地应力场。数值计算中假定围岩服从M-C屈服准则。围岩参数选取参考木寨岭公路隧道的相关文献(王娜，2017)，如表1所示。

表1 围岩参数Table 1 The parameters of surrounding rock

3.2 模型相关参数

模拟采用全断面开挖，单个开挖进尺为2im。初期支护中钢筋网、钢拱架的作用以刚度折算的方式，折算入混凝土喷层进行等效考虑，混凝土喷层采用Shell单元进行模拟，径向锚杆采用Cable单元进行模拟。掌子面锚杆主要考虑其发挥轴向约束的作用，因此同样采用Cable单元模拟足以满足计算精度要求。掌子面锚杆均为全长黏结锚杆，具体参数如表2。生成的支护结构模型如图13。

表2 掌子面锚杆参数Table 2 The parameters of bolts on tunnel face

数值计算中不考虑初期支护施作时间的影响，认为单个开挖进尺完成后初期支护立即施作完成。由于掌子面锚杆布设数量较多，因此数值计算中为反应现场真实施工情况，通过控制数值计算步骤等效考虑掌子面锚杆布设的时间效应。当布设锚杆时采用的具体数值计算步骤为：①掌子面向前开挖2im至掌子面锚杆布设断面，立即完成开挖位置初期支护并计算至平衡，以此计算平衡过程作为对锚杆布设时间的等效考虑；②按照预设的锚杆布设点位完成掌子面锚杆布设后，再向前开挖2im，立即完成开挖位置初期支护后计算至平衡。数值计算过程示意如图14。

按照此计算方式，常规间断式锚杆布设方案与连续交替式锚杆布设方案实际参与数值计算的锚杆支护长度为4im和2im。数值计算中，当隧道模型完成20im的逐步开挖、计算后，再进行掌子面锚杆布设，以充分消除模型边界效应的影响。

4 计算结果及分析

4.1 掌子面稳定性影响对比

掌子面锚杆支护的直接目的是通过控制掌子面及其前方地层的挤出变形，提升掌子面的稳定性。因此将锚杆对于掌子面及其前方地层挤出变形的控制程度作为锚杆对于掌子面支护效果的定量评价指标，定义挤出变形约束量μ。

(3)

式中：μ0为无锚杆支护条件下掌子面挤出变形最大值(mm)；μs为锚杆支护条件下掌子面及其前方地层相应断面位置挤出变形最大值(mm)。

4.1.1 掌子面锚杆支护状态变化对支护效果的影响

将掌子面锚杆按照两种不同布设方案应用于掌子面支护时，随着隧道开挖的进行，掌子面上的锚杆支护状态会发生变化。由于在不断支护掌子面的条件下，各锚杆支护状态产生的支护效果会相互叠加，因此无法直观地对各种支护状态产生的具体支护效果进行评价。为了评价两种方案中可能出现的各锚杆支护状态对于掌子面的支护效果，将隧道模型全断面开挖至模型中部后，将常规间断式布设方案应用过程中会出现的掌子面锚杆全长4im，掌子面锚杆全长2im的两种支护状态以及连续交替式布设方案应用过程中会出现的掌子面锚杆支护状态1、2、3(图11a、图11b、图11c)的3种支护状态分别布设于掌子面上进行数值计算。

在数值计算模型中于掌子面及其前方地层上，每隔1im沿着隧道中轴线位置布设一系列的挤出变形监测点。根据变形监测结果，得到掌子面锚杆对于掌子面及其前方地层的挤出变形约束量与掌子面间距离的关系如图15。

以2%的挤出变形约束量作为评价掌子面锚杆对于变形是否有控制作用的评价标准，探究两种不同布设方案中可能出现的各锚杆支护状态对于掌子面及其前方地层挤出变形的影响程度以及影响范围。

由图15可知，掌子面锚杆采用不同的布设方案时，得到的挤出变形约束量随地层与掌子面间距离的变化规律基本一致。锚杆对于掌子面的支护效果随着掌子面前方地层的深入而逐渐降低，影响范围大约为掌子面前方8im内地层。当掌子面锚杆采用常规间断式布设方案进行支护时，掌子面锚杆的支护长度随着隧道开挖的进行从4im缩短为2im，虽然其支护作用的影响范围没有缩小，维持在8im，但是其支护效果在影响范围内显著降低，降低程度随着地层与掌子面间的距离增大而减小。对于掌子面位置的支护作用效果降低程度最为显著，挤出变形约束量由14%左右下降到11%左右，有着较大程度的损失；反观，当采用连续交替式布设方案时，虽然掌子面锚杆的支护状态也随着开挖的进行而产生变化，但其产生的支护效果在影响范围内维持稳定。对应的挤出变形约束量显著优于常规间断式方案最不利支护状态锚杆支护长度2im时产生的挤出变形约束量。对于掌子面位置的挤出变形约束量维持在13%左右，略高于常规布设方案对于掌子面挤出变形约束量的平均水平。

4.1.2 掌子面锚杆支护效果随隧道推进过程的变化

在隧道推进过程中，对掌子面进行不断支护时，每个掌子面上的锚杆支护作用效果和影响范围会相互叠加。因此按照两种不同的布设方案，在隧道推进过程中对掌子面不断进行支护，研究其支护效果随隧道推进过程的变化规律。

由图16可知，采用常规间断式布设方案时，由于锚杆的支护长度会随着隧道开挖的进行在不断缩短和补长之间交替，导致锚杆对于掌子面挤出变形约束量在6%～14%之间产生大幅度波动，支护作用效果表现出严重的高低不均，这对于掌子面变形的控制相当不利。反观，采用连续交替式布设方案时，在经历过2个初始的布设断面后，锚杆的支护作用效果稳定在10%左右，处于常规间断式布设方案产生支护效果的平均水平，可以很好地解决常规方案中锚杆支护作用效果不稳定的问题。

综合上述分析可知，掌子面锚杆采用常规间断式布设方案支护掌子面时，对于掌子面的支护作用效果受到锚杆支护状态变化的影响严重，存在最不利的支护状态。而采用连续交替式布设方案时，对于掌子面的支护效果几乎不受锚杆支护状态变化的影响，可以维持在稳定水平，弥补了常规间断式方案存在最不利支护状态的缺陷。同时，连续交替式布设方案为掌子面提供的稳定支护效果要显著高于常规方案的最差支护效果，且大致处于常规方案支护效果的平均水平。

4.2 地层控制效果对比

掌子面锚杆增强了掌子面及其前方地层的强度，在促进掌子面稳定的同时，也能起到控制地层变形的作用(Lunardi，2000)。以拱顶沉降为例，对比分析两种不同的掌子面锚杆布设方案在地层变形控制方面的差异。同样地，引入掌子面锚杆支护对于拱顶沉降变形控制效果的量化评价指标，定义拱顶沉降变形约束量η。

(4)

式中：η0为无锚杆支护条件下拱顶沉降变形收敛值(mm)；ηs为锚杆支护条件下相应断面位置拱顶沉降值(mm)。

由图17可知，采用不同的掌子面锚杆布设方案，得到的拱顶沉降变形约束量随地层与掌子面间距离的变化规律基本一致。以2%作用界定影响范围的标准，则影响范围大约在掌子面后方3im以及掌子面前方8im的范围内，较为显著的影响范围为掌子面前方6im左右，在掌子面前约3im的位置支护效果最为显著。采用常规间断式布设方案，掌子面锚杆支护长度为4im时，拱顶沉降变形约束量最大值达到11.5%；当掌子面锚杆的支护长度缩短为2im时，该值减少至9%左右，相较于掌子面锚杆支护长度4im时有着较大程度的损失。

反观采用连续交替式布设方案时，锚杆对于拱顶沉降变形的控制作用基本不随锚杆支护状态的变化而变化，维持在稳定水平。锚杆支护状态1、2、3对于拱顶沉降变形的约束量最大值基本相同，约10.3%，支护效果介于常规间断式锚杆布设方案的平均水平。

由上述对比可知，掌子面锚杆采用常规间断式布设方案时，对于地层变形的控制效果同样随着支护状态的变化有着较大的波动，存在最不利支护状态，而连续交替式锚杆布设方案在地层变形的控制方面依旧能够发挥出稳定的支护效果，基本不随支护状态的变化而变化。

5 结 论

(1)掌子面超前锚杆采用常规间断式布设方案时，不论是在控制掌子面变形还是地层变形方面，锚杆支护状态的变化会对支护效果产生较大影响，具体表现为锚杆长度的缩短会导致支护效果的损失，存在最不利支护状态。在隧道开挖过程中不断对掌子面进行支护时，对于掌子面的支护效果会产生大幅度的波动，表现出严重的高低不均。

(2)新提出的连续交替式布设方案，虽然掌子面锚杆的支护状态也会随着隧道开挖的进行而产生变化，但是各支护状态变化均匀，对于掌子面变形或者是地层变形的控制效果基本稳定在同一水平，更有利于围岩的稳定。

(3)以渭武高速木寨岭隧道为工程依托，在不提高支护成本的前提下，对掌子面超前锚杆分别采用常规间断式布设方案以及新提出的连续交替式布设方案时的支护效果进行数值模拟研究，结果表明新方案在隧道推进过程中可维持锚杆支护作用效果稳定，达到了预期目的，可以很好地解决常规间断式布设方案存在的问题。后续将进一步根据现场试验结果对该方案的实际应用效果进行评价。研究结果可为掌子面超前锚杆布设提供一种新方法。