隧道软弱围岩掌子面超前锚杆支护参数分析

摘要：文章结合某公路隧道工程，采用数值模拟的方法分析了隧道掌子面超前玻璃纤维锚杆的支护密度、加固长度和搭接长度对隧道围岩变形的影响，计算结果表明：随着支护密度的增加，掌子面拱顶前方和中心前方的预收敛变形逐渐减小，掌子面的挤出位移逐渐减小，且减小幅度逐渐降低；随着加固长度的增加，掌子面拱顶前方和中心前方的预收敛变形及掌子面的挤出位移变化不明显，但玻璃纤维锚杆的轴向应力先增大后趋于平稳；随着搭接长度的增大，掌子面拱顶前方和中心前方的预收敛变形逐渐减小，掌子面的挤出位移逐渐减小，且减小幅度逐渐降低。

关键词：软弱围岩；玻璃纤维锚杆；新意法；掌子面核心土；数值模拟

中图分类号：U455.7+1" " " 文献标识码：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.052

文章编号：1673-4874（2024）11-0176-04

0引言

近几年，我国西部大开发战略已经进入加速发展阶段，西部交通工程的建设也迎来大的挑战，尤其是隧道工程的建设，常面临着需穿越不良地质（软弱围岩、岩溶、断层破碎带等）的难题。软弱围岩是浅埋隧道全断面开挖过程中经常遇到的不良地质之一，软弱围岩掌子面稳定性较差，支护措施不当便会造成掌子面及拱顶塌方，导致人员伤亡和经济损失［1］。

目前，大量学者对软弱围岩掌子面的稳定性进行了研究。孟永香［2］结合某隧道工程施工，采用Midas GTS软件模拟分析了地表注浆加固、管棚超前支护及两者联合支护的掌子面变形规律，认为联合支护可以有效控制掌子面变形；张书国等［3］采用FLAC 3D软件模拟分析了某深埋大断面隧道在三种开挖方法下围岩的变形特征，得到三台阶七步开挖工法对隧道围岩变形影响最小；张帅等［4］综合数值模拟和现场检测的手段，对东天山特长公路隧道穿越F2断层时的支护结构进行分析验证，得到了较合理的围岩支护结构参数及施工顺序；叶亦文［5］采用Midas GTS软件模拟分析了浅埋软弱围岩隧道在三种不同的开挖方法下围岩的变形特征，认为双侧壁法可以有效控制围岩变形；孙军平等［6］依托某输水隧洞工程，采用数值模拟对比分析了全断面和二台阶法对隧洞围岩稳定性影响，得到全断面开挖更有利于控制围岩变形；肖杨等［7］采用FLAC 3D软件模拟分析了某连拱隧道在相同超前小导管和不同初期支护厚度下围岩的变形特征及初支结构的内力变化；秦苛等［8］采用数值模拟的方法分析了仰拱、二衬和掌子面三者之间不同的施工步距对隧道围岩的变形影响，认为三者之间的安全施工步距可以按规范要求的围岩变形极限值进行适当调整；杨永斌等［9］结合翁多隧道具体施工，分析现场对“三台阶+微桩锁脚”的监测结果，探析了隧道初支结构和围岩的应力变化及变形特征；望紫云［10］采用数值模拟的方法，提出了隧道在泥岩环境中支护结构的参数优化方案。

综上所述，大多数学者比较倾向于新奥法对软弱围岩进行加固，或采用新奥法的开挖方法来稳定软弱围岩掌子面，而对新意法的理念研究及应用较少。本文基于新意法的理念，依托广西某浅埋软弱围岩隧道工程，采用数值模拟的方法，分析了软弱围岩隧道全断面开挖时掌子面超前玻璃纤维锚杆支护参数（支护密度B、加固长度l和搭接长度la）对掌子面围岩变形影响。

1模型建立及参数设置

本文依托广西某浅埋软弱围岩隧道工程，隧道全长6 984 m，隧道地处侵蚀剥蚀低山丘陵区地形波状起伏底面高程为114～260 m，相对高差为144 m，最大埋深154 m；自然坡度为20°～50°，局部陡峻，隧道设计为双线单洞。隧道地表覆盖第四系全新统坡洪积软质黏土、粉质黏土、坡残积粉质黏土；下伏基岩为白垩系大坡组砂岩、泥质砂岩夹含砾砂岩和白垩系下统新隆组泥质砂岩。研究段隧道埋深约74 m，隧道穿越地层主要为砂岩，围岩的物理力学参数见表1。

采用FLAC 3D软件进行建模，模型尺寸x方向为80 m，y方向为50 m，z方向为80 m，隧道开挖高度为9.8 m，隧道跨度8.9 m，具体模型如图1所示，围岩采用摩尔-库仑本构模型，隧道开挖采用1模型；超前玻璃纤维锚杆直径为22 mm，初期支护采用弹性本构模型，初期支护厚度为20 cm。支护结构参数见表2。

2工况设置

为减弱模型产生的边界效应，隧道在开挖并初支至y=10 m处，开始施作掌子面玻璃纤维锚杆，y=10 m处为各监测点布置起点。

（1）为分析掌子面玻璃纤维锚杆密度B（掌子面每平方米玻璃纤维锚杆数量）对隧道掌子面前方围岩稳定性影响，设置分析工况如表3所示。

（2）为分析掌子面玻璃纤维锚杆加固长度对隧道掌子面前方围岩稳定性影响，设置分析工况如表4所示。

（3）为分析掌子面玻璃纤维锚杆搭接长度对隧道掌子面前方围岩稳定性影响，设置分析工况如表5所示。

3计算结果分析

3.1掌子面玻璃纤维锚杆密度分析

通过对不同玻璃纤维锚杆加固密度进行模拟计算，分别得到掌子面拱顶处前方z向位移、掌子面中心处前方y向位移以及掌子面的挤出位移，如图2～4所示。

由图2～4可知：（1）随着B增大，掌子面拱顶处前方各监测点的z向位移逐渐减小，各工况最大z向位移均发生在11 m监测点处，依次为12.9 mm、10.4 mm、9.0 mm、8.2 mm和7.6 mm，相对于B=0.4，其余各工况最大z向位移依次减小19.4%、30.2%、36.4%和41.1%；距离掌子面越远的监测点，其位移越小，并逐渐趋于0 mm；（2）随着B增大，掌子面中心处前方各监测点y向位移逐渐减小，各工况最大y向位移均发生在掌子面处，依次为40.5 mm、31.6 mm、27.8 mm、24.3 mm和22.0 mm，相对于B=0.4，其余各工况最大y向位移依次减小22.0%、31.4%、40.0%和45.7%；距离掌子面越远的监测点，其位移越小，并逐渐趋于0 mm；（3）随着B增大，掌子面各监测点的挤出位移逐渐减小，各工况最大挤出位移依次为46.2 mm、32.2 mm、28.3 mm、24.9 mm和22.6 mm，相对于B=0.4，其余各工况最大挤出位移依次减小30.3%、38.7%、46.1%和51.1%，较大的挤出位移发生在掌子面中部，距离开挖轮廓线越近，挤出位移越小。

综上所述，考虑隧道施工的安全性和经济性，当掌子面玻璃纤维锚杆密度B=0.8时较为合理。

3.2掌子面玻璃纤维锚杆加固长度分析

通过对玻璃纤维锚杆不同加固长度进行模拟计算，分别得到掌子面拱顶处前方z向位移、掌子面中心处前方y向位移、掌子面的挤出位移和玻璃纤维锚杆的轴向应力，如下页图5～8所示。

由图5～8可知：（1）随着l增大，掌子面拱顶处前方各监测点的z向位移、掌子面中心处前方各监测点的y向位移和掌子面的挤出位移基本没有变化；意味着当l≥7 m时，继续加长玻璃纤维锚杆长度，锚杆对隧道掌子面前方围岩变形的约束效果不会增加；（2）随着l增大，玻璃纤维锚杆的轴向应力先增大，当l≥12 m后趋于稳定。

综上所述，为了尽可能发挥玻璃纤维锚杆的抗拉特性，又兼顾施工效率和周期，确定合理的加固长度为15 m。

3.3掌子面玻璃纤维锚杆搭接长度分析

通过对玻璃纤维锚杆不同搭接长度进行模拟计算，分别得到掌子面拱顶处前方z向位移、掌子面中心处前方y向位移和掌子面的挤出位移，如图9～11所示。

由图9～11可知：（1）随着搭接长度la增大，掌子面拱顶处前方各监测点的z向位移逐渐减小，各工况最大z向位移均发生在监测点11 m处，依次为16.6 mm、12.5 mm、10.5 mm、9.7 mm和9.2 mm，相对于la=2 m，其余各工况最大z向位移依次减小24.7%、36.7%、41.6%和44.6%；距离掌子面越远的监测点，其位移越小，并逐渐趋于0 mm；（2）随着la增大，掌子面中心处前方各监测点y向位移逐渐减小，各工况最大y向位移均发生在掌子面处，依次为65.3 mm、48.4 mm、37.7 mm、32.0 mm和29.3 mm，相对于la=2 m，其余各工况最大y向位移依次减小25.9%、42.3%、51.0%和55.1%；距离掌子面越远的监测点，其位移越小，并逐渐趋于0 mm；（3）随着la增大，掌子面各监测点的挤出位移逐渐减小，各工况最大挤出位移依次为65.3 mm、48.6 mm、37.9 mm、32.3 mm和29.7 mm，相对于la=2 m，其余各工况最大挤出位移的依次减小25.6%、42.0%、50.5%和54.5%。

另外掌子面加固存在一个最小的加固范围，可以用式（1）表示［11］：

la=H×tan（45°-φ/2）（1）

根据经验公式得到掌子面最小加固范围为5.89 m。

综上所述，考虑隧道施工的安全性和经济性，取掌子面玻璃纤维锚杆搭接长度la=6.0 m较为合理。

4结语

本文基于新意法的理念，依托广西某浅埋软弱围岩隧道工程，采用数值模拟的方法，对掌子面超前玻璃纤维锚杆支护参数进行了分析，得到以下结论：

（1）随着B或la的增加，掌子面拱顶前方和中心前方的预收敛变形逐渐减小，掌子面的挤出位移逐渐减小，且减小幅度逐渐降低。

（2）随着l的增加，掌子面拱顶前方和中心前方的预收敛变形及掌子面的挤出位移变化不明显，但玻璃纤维锚杆的轴向应力先增大后趋于平稳。

（3）得到了该工程较为合理的超前玻璃纤维锚杆支护参数。

参考文献：

［1］谢雄耀，蔡杰龙，周应新，等.浅埋软弱围岩隧道施工塌方及处治措施研究［J］.建筑施工，2022，44（3）：545-549.

［2］孟永香.软弱围岩隧道超前支护加固形式研究［J］.市政技术，2023，41（12）：111-116.

［3］张书国，贺永胜，戴岭，等.深部软弱围岩隧道开挖方法数值比选研究［J］.价值工程，2023，42（33）：146-149.

［4］张帅，刘世林，薛江龙，等.隧道穿越挤压性软岩支护参数优化研究［J］.施工技术（中英文），2023，52（21）：48-54.

［5］叶亦文.软弱围岩浅埋隧道施工方法研究［J］.工程技术研究，2023，8（21）：38-40.

［6］孙军平，贺海龙，谢秉鑫.浅埋软弱围岩输水隧洞施工工法比较分析［J］.水利与建筑工程学报，2023，21（5）：131-137.

［7］肖杨，蒲松.软弱围岩连拱隧道力学特性及支护参数研究［J］.山西建筑，2023，49（20）：153-156.

［8］秦苛，张翰洋，蔡晓斌，等.软岩大断面隧道安全施工步距数值模拟分析［J］.科学技术创新，2023（24）：161-164.

［9］杨永斌，王庆，王星，等.浅埋软弱围岩隧道微桩锁脚施工技术研究［J］.路基工程，2023（4）：137-142.

［10］望紫云.富水泥岩段隧道支护参数优选分析［J］.工程与建设，2023，37（1）：285-289.

［11］李斌，漆泰岳，吴占瑞，等.隧道掌子面锚杆加固参数确定方法［J］.铁道学报，2012，34（10）：115-121.

作者简介：莫文校（1986—），工程师，主要研究方向：隧道施工建设与管理。

收稿日期：2024-05-16