锚杆支护在整治高地应力软岩隧道大变形的效应分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 第１９卷第１期　２００６年３月　石家庄铁道学院学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＩＪＩＡＺＨＵＡＮＧ　ＨＡＩＬＷＡＹ　ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ　Ｖ０ｌ＿ｌ９　Ｎｏ．１　ＭａＩ＂．２００６　锚杆支护在整治高地应力　软岩隧道大变形的效应分析　刘泮兴　，任秋儒　，朱永全　（１．石家庄铁道学院土木工程分院，河北石家庄０５００４３；２．兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州７３００７０）　摘要：根据乌鞘岭隧道工程实例阐述了高地应力软岩隧道大变形的特点，及其整治措施，通　过模型计算对施作锚杆隧道与没有施作锚杆隧道的应力以及位移进行了比较，并论述了锚杆支　护对于整治大变形的重要作用。　关键词：乌鞘岭隧道；大变形；锚杆支护　中图分类号：ＴＵ４５７文献标识码：Ａ文章编号：１００６—３２２６（２００６）０１　００２７—０４　１　引言　高地应力对地下工程的影响是十分显著的，尤其对穿越大埋深的软岩地下工程，如深埋铁路、公路隧　道等。随着我国铁路、公路建设的不断发展，隧道工程已向“长大、深埋、安全”方向发展。奥地利的陶恩（　Ｔａｕｅｍ）隧道和阿尔贝格隧道、日本的惠那山（Ｅｎａｓａｎ）隧道、南昆线的家竹箐铁路隧道、渝长线４．７　ｋｍ　长的华蓥山公路隧道以及在建的乌鞘岭隧道等由于设计时对高地应力软岩缺乏经验，初期支护较弱，施　工中均出现了不同程度的围岩大变形问题，给施工单位带来了严重的经济损失。绝大多数严重大变形隧　道的施工实例中，其成功整治方案都采用了长锚杆的柔性支护。下面以乌鞘岭隧道为例分析一下长锚杆　在整治高地应力软岩隧道大变形的作用机理　ｌ２　Ｊ。　２工程概况　乌鞘岭隧道位于兰新线兰州西一武威南段，全长２０　０５０　ｎｌ，是国内最长的单线铁路隧道。最大埋深　１　１００　ｍ，隧道工程在大地构造单元上位于祁连褶皱带内，由Ｆ４一Ｆ７四条区域性大断层为骨架构成的宽大　“挤压构造带”所组成，呈ＮＷＷ向展开，带内的次级断层发育，由于构造作用，切割的古生界、中新生界及　加里东岩体被推覆于上新地层之上，地应力条件十分复杂。Ｆ４一Ｆ７断层及影响带，围岩破碎，上述区段均　发生了较为严重的支护变形、支护开裂与破损、钢架扭曲，甚至出现了坍塌事故。　３　高地应力软岩隧道大变形的治理措施　３．１高地应力软岩隧道大变形的特点　（１）变形量大，最大变形可达数１０—１００　ｃｍ。　（２）变形速度高，施作初期支护的前期变形速度可达３　ｃｍ／ｄ，以后可达２　ｃｍ／ｄ。　（３）变形持续时间长，由于软弱围岩具有较高的流变性和低强度，开挖后应力重分布持续时间长，变　形收敛持续时间也较长。短者数十天，长者数百天，一般也需一百多天。　（４）支护破坏形式多样。　（５）围岩破坏范围大，高地应力使坑道周边围岩的塑性区增加，破坏范围增大。特别是支护不及时或　结构不当时围岩破坏范围可达５倍洞径。　收稿日期：２００５—０６～１５　作者简介：刘泮兴男　１９８１年出生硕士研究生　维普资讯 http://www.cqvip.com ２８　石　家　庄　铁道　学　院　学　报　第１９卷　３．２锚杆的支护理论　在新奥发施工的隧道工程中，锚杆的支护机理可以归纳为以下几点：①把岩块串成整体，把围岩在锚　杆长度范围内形成一个加固的“承载环”；②锚杆在约束围岩变形的过程中对围岩产生了径向约束力，围　岩“承载环”由开挖后的二维应力状态转变为三维应力状态，提高了承载环围岩的强度和承载能力；③锚　杆在其全长范围内约束围岩变形，避免了因开挖受扰动破损围岩对衬砌产生过大的变形压力；④锚杆的　横向约束作用主要包括阻止围岩沿弱面滑移、阻止围岩中产生新的剪切破坏面以及阻止围岩中的块体产　生相对回转等作用　。　３．３乌鞘岭隧道施作长锚杆的效用　目前应用于高地应力软岩巷道支护的技术及措施很多，要使高地应力软岩巷道得到可靠支护，围岩　表面支撑与内部加固需要同步加强。采用改进锚网结构和高强度锚固手段，只侧重于提高软岩巷道表面　支撑力往往难于取得理想效果，采用金属支架表面支撑力很大，如不进行围岩内部加固，导致支架数量增　多，支护费用增加。要提高软岩巷道的稳定性，既要保证巷道安全可靠，又要做到经济合理。施工中的乌　鞘岭隧道由于初期对高地应力软岩缺乏经验，支护较弱，施工中均出现了不同程度的围岩大变形问题，最　大水平收敛达２００—３００　ｍｍ、变形速率最高达７３　ｍｎｒ／ｄ，为了整治隧道大变形，施工中使用了大量的长达５　ｍ的锚杆支护，成梅花型布置，间距０．８　ｍ×０．８　ｍ，有效地抑制塑性区围岩的剪切滑动，从而提高塑性区　的承载能力，并把塑性区围岩同稳定围岩连接起来，控制了隧道的变形。不过在软岩隧道施作锚杆时应　注意事项：①由于在高地应力软岩隧道中，塌孔严重，钻孔不易成型，在长锚杆钻孔中，必须随时进行清　孔。②注浆效果的好坏，是长锚杆能否发挥作用的关键，要保证浆液能完全充填满整个钻孑Ｌ，就要注意在　注浆期间应采取间歇注浆且尽量不要首先封孔，而应在注浆期间有浆液从孔口流出时才封孔，以保证注　浆效果。　４计算模拟　４．１模型的建立　乌鞘岭隧道Ｆ４断层带隧道埋深５２０　ｍ，采用地层一结构模式，　利用有限元软件对隧道开挖进行计算模拟，取隧道中心１００　ｍ的范　围作为研究对象，１００　ｍ以上的覆土以自重应力（１０　ＭＰａ）的形式加　在模型上，将其简化为平面应变问题，在左右及下边界施加固定约　束。锚杆呈梅花形布置，间距０．８　ｍ×０．８　ｉｎ，用杆单元进行模拟分　析。在杆单元上粘帖一层节理单元（程序在生成网格时自动生成　Ｇｏｏｄｍａｎ节理单元），网格划分如图１所示。应力释放７５％时施作　喷锚支护，应力释放８５％时施作二次衬砌。有限元围岩计算参数围　岩采用平面材料，弹性模量ｌ×１０　ｋＰａ。泊松比０．４，容重２４　ｋＮ／ｍ　，　内摩擦角２５。，侧压力系数０．７５，粘聚力５０　ｋＰａ，锚杆、支护、二次衬　图１网格划分　砌的参数列于表ｌ。　表１有限元计算参数　４．２结果分析　应用有限元软件计算出的没有施作锚杆时隧道支护内力如图２所示。　计算出的施作锚杆时隧道支护内力如图３所示。　由图２，图３可知，锚杆支护对隧道支护受力影响可以归结为以下几点：　（１）当隧道施作锚杆时初支的轴力、弯矩都有很大的减小，尤其是对墙脚处弯矩影响最大，可知锚杆　维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期　刘泮兴等：锚杆支护在整治高地应力软岩隧道大变形的效应分析　２９　１　５５６　３　（ａ）喷层轴力ｎ　（ｂ）喷层弯矩／（ｋＮ・ｍ）　（ｃ）二衬轴力／ｋＮ　（ｄ）－－￣／（ｋＮ‘ｍ）　囤２没有施作情况下锚杆隧道支护受力图　２３　７６　（ａ）锚杆轴力，ｋＮ　（ｂ）喷层弯矩／（ｋＮ・ｍ）　（ｃ）喷层轴力ｎ　（ｄ）二衬轴力ｎ　（ｅ）二衬弯矩／（ｋＮ’ｍ）　图３　施作锚秤情况下隧道支护受力图　在支护中不只起到了锁脚的作用，对整个初期支护都起到了举足轻重的作用。　（２）对二衬的影响也是相当明显的，二衬的轴力、弯矩都有很大程度的降低。　（３）锚杆的最大轴力为１８０　ｋＮ，出现在边墙处，对于控制侧压力系数为０．７５的蛋形隧道变形十分有　利。　软岩隧道施作锚杆的柔性支护与不施作锚杆情况下的支护变形比较如表２所示，从表２中可以看出　施作长锚杆柔性支护时隧道的支护、二衬位移有了明显的减小。　５　结语　（１）当隧道施作锚杆时初支的轴力、弯矩都有很大的减小，尤其是对墙脚的弯矩影响更大，锚杆在支　护中不只起到了锁脚的作用，对整个初期支护都起到了举足轻重的作用。建议在软岩隧道施工中施作一　定数量的长锚杆，以充分利用围岩的自承载能力，使软弱的围岩形成一整体体系，有利于支护受力。　（２）通过计算模拟比较了两种情况下的支护变形，理性的说明了长锚杆对于整治隧道大变形的重要　作用。　（３）乌鞘岭隧道吸取以前的经验教训，施作了长锚杆控制了隧道大变形，保证了隧道的顺利贯通。　参　考　文　献　［１］铁道第一勘察设计院，石家庄铁道学院，兰州交通大学，等．乌鞘岭隧道岭脊地段复杂应力条件下的变形控制技术研究　阶段成果总报告［Ｒ］．兰州：铁道第一勘察设计院，２００４　［２］朱永全，刘志春，李文江，等．乌鞘岭隧道岭脊地段复杂应力条件下的变形控制技术研究（专题报告一）现场测试阶段　成果报告［Ｒ］．石家庄：石家庄铁道学院，２００４　（下转第４５页）　维普资讯 http://www.cqvip.com 第ｌ期　高振国等：膨润土对预填骨料混凝土性能的影响　４５　参　考　文　献　［１］雍本．特种混凝土结构设计与施工［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，１９９３．６５７　６７６　［２］黄士元，蒋家奋，杨南如，等．近代混凝土技术［Ｍ］．西安：陕西科技出版社，１９９８．１４８－一１５８　［３］吴中伟，廉慧珍．高性能混凝土［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９９９．３６—５０　［４］重庆建筑工程学院，南京工学院．混凝土学［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，１９８１．９５～１０２　Ｔｈｅ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｐｒｅ——ｐｌａｃｅｄ　Ａｇｇｒｅｇａｔｅ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｇａｏ　Ｚｈｅｎｇｕｏ，Ｌｕｏ　Ｙｏｎｇｈｕｉ，　Ｇｅｎｇ　Ｃｈｅｎｘｉａｏ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００４３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅ—ｐｌａｃｅｄ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ．Ｗｉｔｈ　ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ，ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｐｒｅ—ｐｌａｃｅｄ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｂｙ　ａｂｏｕｔ　１４％，ｔｈｅ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｆｔｅｒ　５０　ｔｉｍｅｓ　ｆｒｅｅｚｅ—ｔｈａｗ　ｃｉｒｃｌｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｂｙ　１　０％，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅ—ｐｌａｃｅｄ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｐｒｅ—ｐｌａｃｅｄ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ；ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ；ｆｌｕｉｄｉｔｙ　（责任编辑车轩玉）　（上接第２９页）　［３］陈庆敏，郭颂，张农．巷道锚杆支护新理论与设计方法［Ｊ］．矿山压力与顶板管理．２００２，（１）：ｌ２～１５　Ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｒｏｃｋｂｏｌｔ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　ｉｎ　Ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ　Ｌａｒｇｅ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｇｒｏｕｎｄ——ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　Ｓｏｆｔ——ｒｏｃｋ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｌｉｕ　Ｐａｎｘｉｎｇ　，　Ｒｅｎ　Ｑｉｕｒｕ　，　Ｚｈｕ　Ｙｏｎｇｑｕａｎ　（１＿Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００４３，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００７０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｗｕｓｈａｏｌｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｇｒｏｕｎｄ—ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｏｆｔ—ｒｏｃｋ　ｌａｒｇｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｒｅ　ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｗｉｔｈ　ｒｏｃｋ　ｂｏｌｔ　ａｎｄ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｒｏｃｋ　ｂｏｌｔ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｍｏｄｅｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｖｉｔａｌ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｒｏｃｋ　ｂｏｌｔ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｉｎ　ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ　ｌａｒｇｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｅｘｐｌａｉｎｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｗｕｓｈａｏｌｉｎｇ　ｔｕｎｎｅｌ；ｌａｒｇｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｒｏｃｋ　ｂｏｌｔ　ｓｕｐｐｏｒｔ　（责任编辑刘宪福）