本文摘要：【摘 要】本文以蘭渝線鐵路隧道施工為工況背景，以長錨桿作為隧道圍巖變形控制的主要手段，介紹了隧道錨固數值模擬過程，簡要分析了圍巖穩定性，對于軟弱圍巖隧道，優化的長錨桿設置對圍巖的加固效果優于普通錨桿設置。 【關鍵詞】 錨固試驗;軟弱圍巖;長錨桿
【摘 要】本文以蘭渝線鐵路隧道施工為工況背景，以長錨桿作為隧道圍巖變形控制的主要手段，介紹了隧道錨固數值模擬過程，簡要分析了圍巖穩定性，對于軟弱圍巖隧道，優化的長錨桿設置對圍巖的加固效果優于普通錨桿設置。
【關鍵詞】 錨固試驗;軟弱圍巖;長錨桿;數值模擬
0 引言
目前，普遍應用于地質條件較好的巖土工程中的錨桿，其支護效果表現良好。但在圍巖松軟破碎、高地應力等復雜條件下的大變形隧道中，錨桿支護仍然是尚待解決的難題。國內外錨桿支護正朝著提高錨固力、提高支護效率、擴大應用范圍方向發展。普遍認為開發具有強初撐、急增阻、高阻力力學特性的錨桿支護，是控制高應力、軟巖大變形隧道的有效途徑，是錨桿支護的主要發展方向[1]。
本文以蘭渝線蘭州至廣元段鐵路隧道施工為工況模擬背景，針對該工程隧道開挖中圍巖大變形問題(開挖變形達25cm)，以長錨桿作為變形控制的主要手段，對現場試驗進行模擬對比驗證計算，為完善軟巖大變形控制方法提供進一步依據。
1 工程概況
該工程位于甘肅省岷縣縣城東邊。隧道于洮河右岸岷縣奈子溝村東側山坡(DK201+820)進洞，在岷縣正龍骨料飼料廠后山坡(DK206+955)出洞。隧道全長5135m，為雙線隧道。隧道進、出口位于國道G212路邊，交通方便。洞身段落山大溝深，地形起伏很大，距離國道較遠，交通不便。該工程地貌上位于西秦嶺中山區。山高溝深，山坡、谷坡較陡，隧道洞身最大埋深248m，梁頂植被覆蓋較好。該隧道洞身經過的地層有第四系全新統坡積砂質黃土、碎石土;二疊系下統炭質板巖、板巖、砂巖，三疊系中統板巖、砂巖等。山坡表層覆蓋有第四系全新統坡積黏質黃土，坡積、滑坡堆積粗角礫土、碎石土等。
2 錨固試驗施工方法
考慮到成本投入和施工的便利性、可操作性，制定方案主要如下。以長錨桿作為變形控制的主要手段設置試驗段，沿中線對稱布置，錨桿鉆孔施作采用專用幫錨桿機。分三組試驗：第一組錨桿長3m;第二組錨桿長6m;第三組錨桿長8m;錨桿間距均為1m。錨桿布置情況如圖1所示。該控制措施效果富余時，可再確定加大錨桿間排距試驗，以便于確定合理的加固措施。其中3m、6m、8m長錨桿分別選用?準22螺紋鋼、?準42注漿鋼管、?準70注漿鋼管，其施作富余部分與鋼拱架焊接，鎖定鋼拱架。施作步驟：鉆孔→快硬水泥卷與螺紋鋼端頭插入→送快硬水泥卷與螺紋鋼入孔→注漿→螺紋鋼鎖定鋼拱架。
3 模擬計算及分析
為分析錨桿對隧道圍巖變形控制的影響，根據實際工程的地質條件分別進行錨桿長度和直徑的對比試驗的模擬研究。
3.1 隧道計算范圍及地質條件 隧道左右側邊界為隧道開挖洞徑的4倍，上下側為隧道開挖洞徑的3倍(隧道毛斷面凈高12.5m，跨度14.0m)。依據地形條件加載自重應力。圍巖為Ⅴ級，處在F3斷層內，隧道洞身二疊系～三疊系板巖、砂巖巖體節理裂隙發育，工程地質條件差。
3.2 計算單元和計算參數的選取 根據隧道結構的不同部分的特點選用合適的單元可以使模型更加接近工程實際，提高計算精度，減小解題規模。本次模擬采用ANSYS軟件對隧道開挖采用二維方式模擬，計算采用了三種單元，用實體單元PLANE42模擬圍巖和挖去的土體單元，用桿單元LINE1模擬隧道錨桿，用梁單元BEAM3模擬噴射混凝土和鋼拱架[2][3]。主要模擬計算參數如下：噴射混凝土：厚度0.3m，彈性模量30e9Pa，泊松比0.2，密度2551kg/m3;圍巖：彈性模量1.3e9Pa，泊松比0.38，凝聚力0.2e6Pa，內摩擦角21;錨桿：彈性模量200ePa，泊松比0.3，密度7840kg/m3 [4]。
3.3 數值模擬分析 采用ANSYS軟件對長錨桿支護軟弱圍巖隧道方案進行模擬，取經過隧道縱軸線的圍巖立面為研究對象，分別得到27根4米錨桿、26根6米錨桿、12根8米錨桿作用下的圍巖豎向位移分布云圖。
3.3.1 以ANSYS模擬開挖和支護效果，選取合理的模擬計算參數十分重要，經多次反復調試及驗證才能獲得有效的接近工程實際的模擬云圖。
3.3.2 位移控制效果分析。如圖2，27根3m錨桿控制最大變形量為18.947cm，26根6m錨桿控制最大變形量為14.009cm，12根8m錨桿控制最大變形量為14.7cm，且都發生在仰拱處，可見，優化的錨桿設置控制變形最為有效。由錨桿軸力圖知，錨桿近端軸力大，遠端軸力小，而且拱頂軸力比兩側的大，且錨桿的軸力相對于隧道結構來說是對稱的。
3.3.3 圍巖穩定性分析。在長錨桿的作用下，由于長錨桿較強的錨固力作用，改善了圍巖的應力狀態，臨空面附近穩定性較弱的巖體與深部穩定性較好的巖體通過長錨桿連接在一起，增強了巖體結構的整體作用，使得圍巖的整體性和承載能力得到了提高，圍巖的穩定性亦顯著提高[5]。
4 結論
4.1 對現場試驗進行數值模擬計算，為軟巖大變形控制方法的研究提供了一定的依據。
4.2 大變形隧道錨桿與圍巖相互作用雖取決于圍巖的力學特性以及隧道所處地形情況，但長錨桿對軟弱圍巖隧道的變形也具有一定的控制作用，長錨桿能夠改變圍巖的力學特性，提高圍巖的自承能力，減少圍巖變形，保持隧道圍巖的穩定性。
4.3 針對具體地形以及隧道圍巖的力學性質等因素優化錨桿設置，對于軟弱圍巖隧道，長錨桿的設置對圍巖的加固效果優于普通錨桿設置。
參考文獻：
[1]孫鈞.巖土力學與地下工程結構分析的若干進展[J].力學季刊，2005，26(3)：329-338.
[2]孫鈞.地下結構有限元法解析[M].上海：同濟大學出版社，1988.
[3]鄭穎人，趙尚毅，鄧楚鍵等.有限元極限分析法發展及其在巖土工程中的應用[J].中國工程科學，2006，8(12)：39-61.
[4]趙玲，李曉紅，顧義磊等.高應力區隧道圍巖變形破壞的數值模擬及物理模擬研究[J].巖土力學，2007，28(增)：393-397.
[5]谷栓成，姚國圣，劉娟等.錨桿在軟巖中作用機制的研究[J].山東科技大學學報(自然科學版)，2005，24(4)：74-76.
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