半明半暗连拱隧道锚杆施工力学分析 张 忠 ，莫海军 ，覃 宇 （１．湖南利联安邵高速公路开发有限公司，湖南娄底４１７０００； ２．珠海市电力建设工程有限公司，广东珠海５１９０００） 【摘要】 运用有限差分的方法对半明半暗连拱隧道施工方法进行了三维动态数值模拟，进而得到锚 杆群在不同的施工阶段的力学特征，并且对其受力特征进行分析，得出锚杆群由于相对位置的差异性受力特 点有显著差异：暗洞侧拱脚处锚杆受力较大、暗洞拱顶部位的锚杆受力较小。这些结论为半明半暗隧道锚 杆的支护参数选取提供一种新的途径。 【关键词】 隧道；锚杆；软弱国岩；半明半暗；连拱隧道；有限差分 【中图分类号】Ｕ４５５．４９ 目前，随着锚杆支护技术在岩土工程的广泛应用，人们 对锚杆的作用机理了解不断深入 』、Ｌ２Ｊ。但是，在实际工程 中锚杆支护是很多锚杆组成的锚杆群一起共同工作，因此锚 杆群的工作特点与单根锚杆会有所不同；并且，锚杆的受力 是随着处于隧道位置不同而变化较大。但是现今设计往往 【文献标识码】Ａ 处，为该市的市政工程。隧道呈东西走向，采用双洞连拱结 构形式，两洞中心线距离约２０ ｍ。本隧道全部位于直线段， 进口里程为Ｋ１＋０８０，出口里程为Ｋ１＋２９０，隧道全长２１０ ｍ。 进口半明半暗段埋深４０ ｉｎ以内，属于浅埋段且存在偏压。 隧道进口端位于Ⅱ类围岩地段，属于软弱围岩，地质条件较 差；地表为残坡积土层，厚０．８～１．５ ｍ，下伏基岩依次为强风 并不区别对待，结果导致大多数部位的锚杆设计偏于保守， 而个别部位可能出现不足。 为了了解锚杆群在半明半暗连拱隧道中的工作特点，本 化——中风化——微风化板岩。在本隧道的进口处，隧道与 地面等高线斜交且开挖宽度达３４ ｍ，如果同时进洞将会导致 左洞的地表覆盖层不足或开挖边坡过大。经比选，最终决定 采用左幅８ Ｉｌｌ采用明洞，设计结构见图１。 文以某市的半明半暗连拱隧道为工程背景，利用有限差分对 其施工方法进行模拟，进而对锚杆群的受力特点进行研究， 以便对其不同部位受力机理更充分的认识。 ２施工过程的数值模拟 ２．１计算模型 １工程概况 该隧道位于某市的迎宾路与金鹗路交汇处西约１ ０００ ｉｎ 依照地质资料以及设计中连拱隧道断面的相关尺寸建 ５８Ｏ Ｊ １４６ｌ１５０ Ｉ１５０Ｉ１４６ｌ ５８０ 图１ 半明半暗隧道结构图 立平面模型：计算模型的宽度为１００ ｍ；竖直方向向上取到地 表，向下以隧道拱底为基准往下再取３０ ｍ。计算时所施加的 边界约束条件是：地表为自由边界，未受任何约束；计算模型 的左右边界分别受到水平方向的位移约束，下部边界受到垂 ［收稿日期］２００９—０７—０６ ［作者简介］张忠（１９８０一），男，硕士，主要从事隧道与 地下工程研究。 １７８ 四川建筑第３０卷３期２０１０．０６ 直方向的位移约束。计算模型网格划分如图２所示。根据 ３计算结果及分析 分析问题的特点，围岩采用Ｄｍｃｋｅ—Ｐｌｒａ窖ｅｒ屈服准则，初始 ， 应力仅考虑自重应力，隧道初期支护考虑锚杆 喷射混凝土 ３．１计算结果‘ 以及钢拱架的作用。围岩采用实体单元，锚杆采用锚索单 元，初期支衬用壳体单元、二次衬砌采用实体单元。 圈２半明半暗隧道肉格划分 圈４中导洞开挖后 ２．２围岩计算参数 围岩所选取的计算参数多数是根据隧道的勘测报告确 定的，参数不全的部分由《公路隧道设计规范》选取的，锚杆 和混凝土衬砌具体几何参数为实际设计数值，中隔墙为钢筋 混凝土材料，按照塑性材料处理，具体详见表１。 表１ 盈岩及支护续构物理力学参数取值袭 材料 容重 弹性模量 泊松比 粘结力 内摩擦 断面积 （ｋＮ／ｍ ） ｆＧＰａ） ｃ（ｋ＿Ｐａ） 角妒（。） Ａ（ｍ ） Ⅱ类围岩 ２３ １．０ ０．３３ ５Ｏ ３３ 圈５右主洞上台阶开挖后 中墙 ２３ ２９．５ Ｏ．２０ １５ｏｏ 初期支护 ２２ ２ｌ｜０ Ｏ．１８ ０．２６ 二次衬砌 ２３ ２９．５ Ｏ．２Ｏ Ｏ．６ 锚杆 ２１０．０ 回填土 ｌ８ ０．５ ０．４０ ２ ３０ ２．３模拟过程 隧道三维开挖过程与平面的有所不同，具体施工步骤划 分见图３。 步骤１：中导洞开挖３ ｍ，然后施作３ ｍ的初期支护，重 复以上过程直至中导洞贯通； 圈６左主洞开挖后 步骤２：中隔墙一次性浇筑； 步骤３：右导洞开挖３ ｍ，然后施作３ ｍ的初期支护，直 至右导洞贯通； 步骤４：右侧暗洞上台阶向前开挖３ ｍ及施作初期支护， 直至上台阶贯通； 步骤５：右侧暗洞下台阶向前开挖３ ｍ及施作初期支护， 直至下台阶贯通； 步骤６：右侧暗洞一次性施作二次衬砌； 步骤７：左侧明洞一次开挖完成； 步骤８：左侧明洞二次衬砌一次施作； 圈７左主洞洞项回填后 步骤９：左侧明洞洞顶回填。 根据隧道的结构特点把锚杆分为拱顶、拱腰、拱脚、墙 腰、墙脚等五个部分来分析，划分边界是根据隧道设计的不 同曲线来分割的。 （１）中导洞开挖后，其周边围岩中的锚杆全部受拉力，在 中导洞底部的锚杆群出现最大拉力，其值为０．９２ ｋＮ（图４）。 、（２）右侧暗洞上台阶开挖后，在右侧暗洞岩体中的锚杆 图３隧道开挖顺序 全部受拉力， （下转第１８１页） 四川建筑第３０卷３期２０１０．０６ １７９ 另外，计算中考虑复合衬砌背后完全回填密实，考虑仰 拱与衬砌共同作用；计算均假定衬砌背后围岩能提供径向弹 性反力；有关衬砌结构强度和偏心矩要求，参照《隧规》第十 一章规定办理ｉ对于配筋计算，根据《隧规》１１．２．１１及 １１．２．１２并按照破损骱段法办理；对于裂缝验算，按照《隧 规》１０．３．３及ｌ０．３．４办理；最大裂缝宽度不大于０．２ ｍｍ。 ２．２计算结果 按照以上的计算条件通过计算分析得出各围岩级别情 况下二次衬砌的内力，对此进一步计算安全系数或配筋参 数。计算结果表明除Ⅱ级深埋及Ⅲ级深埋外，Ⅳ、Ｖ级围岩 的深、浅埋及偏压状态下二次衬砌均需通过配筋来达到规范 图１隧道内轮廓 计算程序：采用ＡＮＳＹＳ计算程序； 要求。 荷载确定：只考虑主要荷载，即围岩压力和结构自重； ３结论 围岩压力：参照《铁路隧道设计规范》（ＴＢ １０００３—２００１， 针对各级围岩断面初拟的支护参数，计算分析计算结果 Ｊ １１７—２００１）（以下简称《隧规》）有关规定办理； 表明：除Ⅱ级深埋及Ⅲ级深埋外，Ⅳ、Ｖ级围岩的深、浅埋及 二次衬砌承受荷载比例确定：参照《铁路工程设计技术 偏压状态下二次衬砌均需通过配筋来达到规范要求。 手册》（隧道），对于复合式衬砌，“根据我国复合式衬砌围岩 压力现场量测数据和模型试验，并参考国内外有关资料，建 参考文献 议Ｉ～ＩＶ类围岩二次衬砌承受３０％～５０％的围岩压力”，二 次衬砌按承受荷载的５０％考虑； ［１］ＴＢ １０００３—２００５铁路隧道设计规范［ｓ］ 围岩及衬砌材料的物理力学指标：按《隧规》表３．２．８及 ［２］铁道部第二勘测设计院主编．铁路工程设计技术手册一隧道 表５．３．１办理。 ［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９９５ （上接第１７９页） 不大。 在靠近左拱脚侧的锚杆群拉力较大，最大拉力值为５．８６ ｋＮ； （３）在右侧暗洞墙腰部位锚杆的受力居中，设计偏于保 右拱脚侧锚杆群受力次之，其它部位的拉力较小；而中隔墙 守，可以适当减少锚杆的数量。 的顶部、底部岩体中的锚杆则出现比较小的压力（图５）。 ４结束语 （３）左侧明洞开挖后，右侧暗洞在左拱脚侧的锚杆拉力 值进一步增加，而拱顶、拱脚部位锚杆的拉力有所减少，最大 从理论分析看，因为半明半暗连拱隧道埋深较浅，本文 拉力值为６．８６ ｋＮ；中隔墙顶部、底部岩体中的锚杆还是以受 针对模拟的隧道最大埋深只有１６ ｍ，地面倾角为３１７。因此 压为主，但压力有所增加（图６）。 岩体主要受自重荷载。虽然隧道受大偏压，但是荷载较小。 （４）左侧明洞洞顶回填完成后，右侧暗洞部分岩体中的 因此在开挖后，在暗洞拱腰侧的围岩受力较大，其它部位较 锚杆拉力值有所减少，甚至个别的出现压应力；其中在右侧 小，进而可以考虑根据围岩不同部位的受力特点适当的调整 暗洞左拱脚部位的锚杆拉力最大，值为６．７２ ｋＮ；中隔墙顶 锚杆的数量以做到经济合理。 部、底部岩体中的锚杆压力进一步增加但增加不是很多（图 ７）。 参考文献 ３．２分析 通过数值分析方法对某半明半暗连拱隧道的施工方法 ［１］方勇，何川．全长粘结式锚杆与隧道围岩相互作用研究［Ｊ］．工 进行模拟，和对锚杆群的受力特征进行分析，得出如下结论。 程力学，２ＯＯ７（６）：ｌｌ１一ｌｌ６ ［２］ 杨双锁，张百胜．锚杆对岩土体作用的力学本质［Ｊ］．岩体力 （１）在右侧暗洞左、右拱脚部位的锚杆群受力较大，特别 学，２００３（１０）：２７９—２８２ 是左拱脚的部位；因此在此处的锚杆群发挥的作用比较完 ［３］秦爱新．全长锚杆支护力学分析［Ｊ］．河北煤炭，２００１（１）：ｌ一２ 全，对设计来讲是关键部位、对施工来讲是重点。 ［４］ 曾华明，李祺，岳向红．张拉荷载下锚杆锚固岩石锚杆的力学 （２）在右侧暗洞拱顶部位的较小，甚至出现压力；因此表 分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２ＯＯ６（１０）：３９８２－３９８６ 明锚杆的作用没有充分发挥出来，在此处有没有锚杆关系 四川建筑第３０卷３期２０１０．０６ ｌ８１
