王 剛

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 30000）

1 引言

懸吊理論、組合梁理論和組合拱（壓縮拱）理論是錨桿支護(hù)的傳統(tǒng)錨固機(jī)理理論，得到了廣泛的應(yīng)用，也為大家所廣泛傳播，幾乎每一種比較全面研究與探討錨桿支護(hù)的書籍都會(huì)對(duì)其加以介紹[1-4]。然而，由于錨桿作用機(jī)制的復(fù)雜性，目前設(shè)計(jì)仍是以經(jīng)驗(yàn)類比為主，錨桿究竟對(duì)保持隧道穩(wěn)定性起到多少作用，或者說錨桿的支護(hù)功效，學(xué)術(shù)界對(duì)此認(rèn)識(shí)并不統(tǒng)一，且已有專家學(xué)者認(rèn)為錨桿在某些條件作用不大，建議取消。

譚忠盛等[5–6]采用實(shí)際觀測(cè)的方法對(duì)深埋、淺埋黃土隧道系統(tǒng)錨桿的作用效果進(jìn)行了對(duì)比研究，得到了拱部系統(tǒng)錨桿作用效果不明顯這一重要結(jié)論，并應(yīng)用于工程實(shí)際。陳建勛等[7]以哈爾濱繞城高速公路天恒山隧道為依托工程，通過監(jiān)控量測(cè)的手段研究了高含水率土質(zhì)隧道中取消系統(tǒng)錨桿的支護(hù)效果，研究結(jié)果表明取消系統(tǒng)錨桿，僅采用鎖腳錨桿的情況下隧道初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)變形和受力均在允許范圍之內(nèi)，初期支護(hù)工作狀態(tài)良好。陳建勛等[8]又以劉家坪隧道為依托工程，對(duì)比黃土隧道有系統(tǒng)錨桿和無系統(tǒng)錨桿兩個(gè)長(zhǎng)為30m 的試驗(yàn)段，研究表明，兩者無論從變形還是受力上講，同類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均處于同一量級(jí)，說明系統(tǒng)錨桿對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性作用不大，且取消系統(tǒng)錨桿，可以及時(shí)噴射混凝土，有利于圍巖穩(wěn)定，從而大大縮短工期，降低工程造價(jià)。王建宇[9]認(rèn)為將錨桿對(duì)隧道的支護(hù)歸納為“加固作用”更為確切；不同巖體結(jié)構(gòu)的圍巖具有不同的加固機(jī)理，對(duì)于錨桿支護(hù)的理解不能單純地囿于懸吊作用。國外澳大利亞雪山地下工程曾用碎石材料模擬破碎地層，發(fā)現(xiàn)使用錨桿加固后該模型的承壓能力大大提高，毫無黏結(jié)力的碎石在木箱翻轉(zhuǎn)時(shí)也沒有倒出，基于這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了錨桿的擠壓加固作用。

本文擬通過數(shù)值模擬方法，分別開展有、無錨桿（cable 單元，全長(zhǎng)粘結(jié)），有、無噴混凝土層（shell單元），錨桿和噴混凝土層之間是否連接（共用節(jié)點(diǎn)），以及是否在設(shè)置cable 單元的同時(shí)提高圍巖參數(shù)等工況的對(duì)比分析，以期更全面地認(rèn)識(shí)錨桿支護(hù)機(jī)理和支護(hù)功效。

2 依托工程概況

新建張吉懷鐵路站前-6 標(biāo)，位于湖南省湘西州古丈縣，正線起訖里程為 DK81+249.65～DK115+382.00，正線長(zhǎng)32.221km（含短鏈1.911km），總投資232172 萬元。橋隧總長(zhǎng)31.776km，橋隧比98.62%。其中天橋山隧道為本標(biāo)段重點(diǎn)控制工程，全長(zhǎng)6908 米，洞身圍巖為寒武系下統(tǒng)杷榔組砂質(zhì)頁巖，局部夾泥質(zhì)條帶灰?guī)r，隧道共3 個(gè)斷裂層并含有復(fù)雜多變的各種性質(zhì)的節(jié)理和裂隙，地下水較發(fā)育，給隧道施工造成很大難度，隧道設(shè)計(jì)采用三臺(tái)階開挖法進(jìn)行施工，超前支護(hù)采用φ42 超前錨桿進(jìn)行支護(hù)。

圖1 計(jì)算簡(jiǎn)圖

3 錨桿作用的數(shù)值模擬

為簡(jiǎn)化分析，本文以圓形洞室為基礎(chǔ)，運(yùn)用FLAC3D有限差分程序?qū)τ小o錨桿等多種工況的位移云圖、塑性區(qū)分布、錨桿軸力特征進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

3.1 計(jì)算簡(jiǎn)圖

計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1 所示，本次計(jì)算假定圓形洞室直徑6m，計(jì)算域上、下、左、右各取30m；縱向取1 延米。邊界約束為前、后、左、右、下邊界施加相應(yīng)方向的水平約束，上邊界施加5MPa 的均勻壓應(yīng)力。圍巖采用實(shí)體單元模擬，服從Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則；錨桿采用全長(zhǎng)粘結(jié)的cable 單元；噴混凝土層采用shell 單元，鋼架的作用按其彈性模量折算給噴混凝土考慮。

3.2 計(jì)算參數(shù)

本算例采用的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)FLAC3D中錨桿（cable）單元[10]的參數(shù)變量設(shè)置，取計(jì)算參數(shù)如表2 所示。

表2 錨桿單元的計(jì)算參數(shù)

3.3 計(jì)算工況

為對(duì)比有、無錨桿的支護(hù)效果，本次計(jì)算工況設(shè)計(jì)如表3 所示。

表3 計(jì)算工況

部分工況的計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 數(shù)值模型

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

上述6 種工況的計(jì)算結(jié)果列于表4。從表中可以看出：

（1）對(duì)比工況1 和工況2 的計(jì)算結(jié)果，在僅有錨桿支護(hù)的情況下，有無錨桿對(duì)圍巖的變形大小、塑性區(qū)分布等基本沒有影響；（2）對(duì)比工況3 和工況4 的計(jì)算結(jié)果，在有初支噴混凝土層支護(hù)的情況下，有無錨桿亦對(duì)圍巖的變形大小、塑性區(qū)分布等基本沒有影響；（3）對(duì)比工況1 和工況3，以及工況2 和工況4 的計(jì)算結(jié)果，無論有無錨桿，噴混凝土層支護(hù)的施作均顯著減小了圍巖變形和塑性區(qū)，且減小的幅度相同；（4）對(duì)比工況4 和工況5 的計(jì)算結(jié)果，錨桿（cable）與噴混凝土層（shell）模型節(jié)點(diǎn)是否連接在一起對(duì)圍巖變形和塑性區(qū)影響不大，但cable 和shell 節(jié)點(diǎn)連接（協(xié)同變形）時(shí)，錨桿的軸力值增加明顯，且單根錨桿軸力分布表現(xiàn)為靠近洞內(nèi)單元軸力增大，即出現(xiàn)錨桿軸力從工況4 的“中間大、兩頭小”分布改變?yōu)楣r5 的從洞壁往圍巖深處依次減小的分布；（5）對(duì)比工況2 和工況4（或工況5）的計(jì)算結(jié)果，僅施作錨桿工況的錨桿軸力值小于錨桿與噴混凝土共同支護(hù)工況，且沿洞周分布也有較大差異，前者“上下大，左右小”，后者“上下小，左右大”；（6）對(duì)比工況1、2、6 的計(jì)算結(jié)果，數(shù)值模擬過程中在施作錨桿單元的同時(shí)提高圍巖參數(shù)，可顯著減小變形和塑性區(qū)；相應(yīng)地，錨桿最大軸力值相比不提高圍巖參數(shù)工況，有所下降。

表4 計(jì)算結(jié)果匯總

5 images/BZ_78_461_369_932_840.pngimages/BZ_78_1057_368_1531_841.pngimages/BZ_78_1675_368_2161_842.png6 images/BZ_78_460_882_934_1354.pngimages/BZ_78_1056_881_1531_1354.pngMax 98.4 kN

4 結(jié)論

（1）錨桿和噴混凝土同時(shí)施作時(shí)，減小圍巖變形和塑性區(qū)的主要因素來源于噴混凝土支護(hù)，且受變形變化規(guī)律影響，錨桿受力沿洞周分布相比僅施作錨桿工況差異明顯，主要表現(xiàn)為錨桿軸力從僅有錨桿時(shí)的“上、下大，左、右小”變?yōu)殄^桿和噴混凝土共同支護(hù)時(shí)的“上、下小，左、右大”。（2）錨桿（cable）與噴混凝土層（shell）模型節(jié)點(diǎn)是否連接在一起對(duì)圍巖變形和塑性區(qū)影響不大，但連接在一起時(shí)，錨桿的軸力值增加明顯，且單根錨桿軸力分布表現(xiàn)為從洞壁往圍巖深處依次減??；而未連接在一起的工況表現(xiàn)為“中間大、兩頭小”分布。（3）由于FLAC3D軟件本身并沒有考慮錨桿支護(hù)對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)的影響，僅施作全長(zhǎng)粘結(jié)的cable 單元時(shí)，并不能有效改善圍巖變形和塑性區(qū)分布。為充分體現(xiàn)錨桿加固圍巖的作用，在施作cable 單元的同時(shí)適當(dāng)提高相應(yīng)的圍巖力學(xué)參數(shù)是合理可行的。