论文部分内容阅读
【摘要】锚喷支护是地下工程和岩土工程中广泛应用的支护方式，与传统的刚性支护相比而言其属于一种柔性支护，容易有效地释放围岩应变能，调节围岩变形，充分发挥围岩的自身承载能力。选择合理的锚喷支护形式，对于确保工程安全、合理、经济施工具有重要的意义。然而在实际的工程建设中，针对不同的工程地质条件，如何确定合理的锚喷支护形式和支护参数，一直是设计和施工中的难题。对于隧道锚喷支护设计而言，确定锚喷支护形式及参数直接关系到锚喷支护的质量，进而影响到整个工程的安全。目前关于隧道支护参数优化的研究一般是对单一的支护结构或支护参数进行优化分析，很少从多方面、多角度来进行对比分析。本文以某隧道工程为例，通过数值分析方法对锚杆的长度、锚杆的环向间距、轴向间距以及喷射混凝土的厚度进行优化分析，以确定合理的支护参数。
【关键词】隧道；锚喷支护；锚杆；混凝土
Optimization Analysis of ultra-long tunnel buried shotcrete support of
Wu Yue
【Abstract】Shotcrete support is a way of supporting underground engineering and geotechnical widely used, compared with the traditional rigid support in terms of supporting it belongs to a flexible, easy rock strain energy release effectively regulate rock deformation give full play to their carrying capacity of the surrounding rock. Choose a reasonable form of shotcrete support, to ensure project safety, rational, economic construction has important significance. However, in actual construction, for different engineering geological conditions, how to determine a reasonable form of shotcrete support and support parameters, has been the design and construction problems. For the tunnel shotcrete support designs to determine the form and shotcrete support parameters directly related to the quality of shotcrete support, thereby affecting the security of the entire project. Current research on tunnel support for parameter optimization is generally a single support structure or support parameters to optimize the analysis, very few from many, many angles to be analyzed. Taking a tunnel project, for example, by the method of numerical analysis of the length of the bolt, bolt spacing ring axial spacing and the thickness of the shotcrete optimization analysis to determine reasonable support parameters.
【Key words】Tunnel;Shotcrete support;Anchor;Concrete
1. 工程概况
（1）某隧道包括两条单线隧道，左洞长8 263 m(ZK42+729～ZK50+992)，右洞长8 242 m(YK42+723～YK50+965)，属于分离式特长
图1围岩应力、位移及塑性区范围与锚杆长度关系曲线
隧道。隧址区属构造剥蚀侵蚀低山——低中山区，地形起伏较大，隧道轴线所经地段地面高程约270～1 185 m，相对切割深度约915 m。
图2围岩应力、位移及塑性区范围与锚杆环向间距关系曲线
（2）该隧道工程所在地有规模不等的10条断层以不同角度穿越隧道区域，另有2条断层从隧道进口附近穿越并形成破碎带。隧址区出露、揭露的地层主要为志留系新滩组页岩，奥陶系生物碎屑灰岩夹少量炭质页岩、粉砂质页岩，下寒武统泥质条带状灰岩、炭质灰岩局部含页岩夹层，上震旦统——下寒武统灯影组白云岩夹灰岩。
2. 计算模型
根据典型断面进行优化分析，以Ⅳ级围岩断面为原型进行建模，断面形式为三心圆，初期支护后断面尺寸为最大宽度12.0 m，高度10.5 m。模型周边选取5倍洞径范围，隧道上方按照实际埋深455 m添加均布荷载，用于等效围岩实际自重应力。研究范围内隧址区只出露少量基岩裂隙水，可忽略地下水的影响。由此边界条件设为:
（1）位移边界条件:模型下方施加竖直方向位移约束，两侧边界施加水平方向位移约束。
（2）应力边界条件:竖直方向施加等效自重应力的均布荷载；水平方向考虑到水平构造应力的影响，侧压力系数取0.8，两侧边界施加随埋深增加的水平应力。围岩利用有限元软件中隧道应力——应变分析模块，选取横观各向异性材料作为围岩模型；岩体屈服准则采用Mohr-Coulomb准则。相关物理力学参数取值依据室内试验和地质报告提供的数据。
图3 围岩应力、位移及塑性区范围与锚杆轴向间距关系曲线
3. 锚喷支护数值优化分析
结合隧道的支护类型对隧道围岩稳定性的影响规律进行研究。通过选取锚杆的长度L、锚杆的环向间距a、轴向间距b以及喷射混凝土的厚度h这4个参数，在研究单个参数的影响时，选择其它各参数为固定值。单独改变该参数的取值，查看该参数的变化对围岩塑性区范围、形态以及围岩应力场和关键点位移的影响，最终得出这些参数对隧道围岩稳定性的影响。
该地区大部分围岩以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主体，为了说明所研究的支护参数的变化对隧道围岩应力、位移分布以及塑性区的影响，选定围岩为Ⅳ级围岩进行分析，其它物理力学参数则根据室内试验与勘察设计资料确定。
图4围岩应力、位移及塑性区范围与喷射混凝土厚度关系曲线
3.1锚杆长度的优化分析。
（1）为了分析锚杆长度的变化对隧道围岩应力和位移分布的影响，取其它参数为固定值。锚杆的长度分别取2.00，2.25，2.50，2.75，3.00，3.25，3.50，3.75，4.00m共9种情况，得到围岩应力、位移以及塑性区范围与锚杆长度的关系，如图1所示。
（2）由图1(a)和图1(b)可知:随着锚杆长度增加，围岩应力和位移均逐渐变小，锚杆对有效控制围岩变形和避免产生较大的围岩应力有着重要作用，锚杆长度在2.0～3.0 m时，这一变化趋势较明显，但在3.0～4.0 m时，锚杆长度的增加对围岩应力和位移的减小作用明显减缓。
（3）由图1(c)可知:围岩塑性区发展随锚杆长度增加而减小，但变化不大，塑性区域在拱脚和起拱线部分相对较大，改变锚杆长度对塑性区的发展影响较小。综合上述围岩应力、位移以及塑性区分析结果可知，锚杆长度以3.0～3.5 m为宜。
3.2锚杆环向间距的优化分析。
（1）为了分析锚杆环向间距的变化对隧道围岩应力、位移分布的影响，取其它参数为固定值。锚杆的间距分别取0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5m共10种情况，得到围岩应力、位移与锚杆环向间距的关系，见图2。
（2）由图2(a)和图2(b)可知:随着锚杆环向间距增加，围岩应力和位移均逐渐变大，锚杆环向间距对有效控制围岩变形和降低围岩应力效果明显；环向间距在0.6～1.2 m时这一变化趋势较小，但在1.2～1.5 m时锚杆环向间距的增加对围岩应力和位移的增大作用明显加大。
（3）由图2(c)表明:围岩塑性区发展随锚杆间距增加而增大，但变化不大，改变锚杆环向间距对塑性区的发展影响较小。综合上述分析，锚杆的设计环向间距以1.0～1.2 m为宜。
3.3锚杆轴向间距的优化分析。
（1）为了分析锚杆轴向间距的变化对隧道围岩应力、位移分布的影响，取其它参数为固定值。锚杆的间距分别取0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5m共10种情况，模拟隧道开挖得到围岩应力、位移与锚杆轴向间距的关系，见图3。
（2）由图3(a)和图3(b)可知:随着锚杆轴向间距增加，围岩应力和位移均逐渐变大，锚杆轴向间距对有效控制围岩变形和降低围岩应力效果明显；轴向间距在0.6～1.2 m时，这一变化趋势较小，但在1.2～1.5 m时，锚杆轴向间距的增加对围岩应力和位移的增大作用明显加大。
（3）由图3(c)可知:围岩塑性区发展随锚杆轴向间距增加而增大，但变化不大，改变锚杆轴向间距对塑性区的发展影响较小。综合上述分析，锚杆的设计轴向间距以1.0～1.2 m为宜。
3.4混凝土厚度的优化分析。
（1）分析混凝土厚度的影响时，锚杆的间距分别取16，18，20，22，25，30 mm共6种情况，得到围岩应力、位移与喷射混凝土厚度的关系，见图4。
（2）由图4(a)和图4(b)可知:随着混凝土厚度增加，围岩应力和位移均逐渐变小；混凝土厚度在16～22mm时，这一变化趋势较明显，但在22～30 mm时，混凝土厚度的增加对围岩应力和位移的增大作用明显减小，喷射混凝土厚度大小对控制围岩变形和降低围岩应力效果明显。
（3）由图4(c)可知:围岩塑性区发展随喷射混凝土厚度的增加而减小，变化趋势与位移和应力变化趋势相近，改变混凝土的厚度对塑性区的发展影响较大。综合上述分析，喷射混凝土层的设计厚度以22～25 mm为宜。
4. 结论
通过数值计算对Ⅳ级围岩锚喷支护参数进行了优化分析，结论如下:
（1）锚杆长度、环向间距、轴向间距及喷射混凝土厚度在一定范围内对围岩位移及应力影响效果明显。锚杆长度、环向间距及轴向间距对塑性区域的影响不大，喷射混凝土厚度对塑性区的发展影响较大，同时在拱脚及起拱线部分塑性区发展明显，施工中应考虑在此区域加强支护。
（2）通过综合对比分析不同锚杆长度对围岩应力、位移以及塑性区发展范围的影响，锚杆的设计长度以2.5～3.0 m为宜。
（3）通过综合对比分析不同锚杆轴向间距和环向间距对围岩应力、位移以及塑性区发展范围的影响，锚杆的设计轴向、环向间距以1.0～1.2 m为宜。
（4）通过综合对比分析不同喷射混凝土厚度对围岩应力、位移以及塑性区发展范围的影响，喷射混凝土层的设计厚度以22～25 mm为宜。
（5）通过对比，考虑到施工安全与经济等多方面因素，优化后的Ⅳ级围岩锚喷支护参数为:锚杆采用间距1.2 m(环向)×1.0 m(轴向)，长3.0 m，喷射混凝土厚度采用25.0 mm。
参考文献
［1］林才元，徐胜锋.隧道锚喷支护体系作用机理浅析［J］.中国西部科技(学术)，2007,06:26～27.
［2］王晓峰.隧道锚喷支护设计浅谈［J］.天然气与石油，2007,04:49～52.
［3］钟放平.水平层状围岩隧道锚喷支护参数优化试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2008,01:59～63.
［4］冯联新，潘星.隧道锚喷支护作用机理探讨［J］.工程建设与档案，2005,05:405～407.
［文章编号］1006-7619（2014）06-18-329
【关键词】隧道；锚喷支护；锚杆；混凝土
Optimization Analysis of ultra-long tunnel buried shotcrete support of
Wu Yue
【Abstract】Shotcrete support is a way of supporting underground engineering and geotechnical widely used, compared with the traditional rigid support in terms of supporting it belongs to a flexible, easy rock strain energy release effectively regulate rock deformation give full play to their carrying capacity of the surrounding rock. Choose a reasonable form of shotcrete support, to ensure project safety, rational, economic construction has important significance. However, in actual construction, for different engineering geological conditions, how to determine a reasonable form of shotcrete support and support parameters, has been the design and construction problems. For the tunnel shotcrete support designs to determine the form and shotcrete support parameters directly related to the quality of shotcrete support, thereby affecting the security of the entire project. Current research on tunnel support for parameter optimization is generally a single support structure or support parameters to optimize the analysis, very few from many, many angles to be analyzed. Taking a tunnel project, for example, by the method of numerical analysis of the length of the bolt, bolt spacing ring axial spacing and the thickness of the shotcrete optimization analysis to determine reasonable support parameters.
【Key words】Tunnel;Shotcrete support;Anchor;Concrete
1. 工程概况
（1）某隧道包括两条单线隧道，左洞长8 263 m(ZK42+729～ZK50+992)，右洞长8 242 m(YK42+723～YK50+965)，属于分离式特长
图1围岩应力、位移及塑性区范围与锚杆长度关系曲线
隧道。隧址区属构造剥蚀侵蚀低山——低中山区，地形起伏较大，隧道轴线所经地段地面高程约270～1 185 m，相对切割深度约915 m。
图2围岩应力、位移及塑性区范围与锚杆环向间距关系曲线
（2）该隧道工程所在地有规模不等的10条断层以不同角度穿越隧道区域，另有2条断层从隧道进口附近穿越并形成破碎带。隧址区出露、揭露的地层主要为志留系新滩组页岩，奥陶系生物碎屑灰岩夹少量炭质页岩、粉砂质页岩，下寒武统泥质条带状灰岩、炭质灰岩局部含页岩夹层，上震旦统——下寒武统灯影组白云岩夹灰岩。
2. 计算模型
根据典型断面进行优化分析，以Ⅳ级围岩断面为原型进行建模，断面形式为三心圆，初期支护后断面尺寸为最大宽度12.0 m，高度10.5 m。模型周边选取5倍洞径范围，隧道上方按照实际埋深455 m添加均布荷载，用于等效围岩实际自重应力。研究范围内隧址区只出露少量基岩裂隙水，可忽略地下水的影响。由此边界条件设为:
（1）位移边界条件:模型下方施加竖直方向位移约束，两侧边界施加水平方向位移约束。
（2）应力边界条件:竖直方向施加等效自重应力的均布荷载；水平方向考虑到水平构造应力的影响，侧压力系数取0.8，两侧边界施加随埋深增加的水平应力。围岩利用有限元软件中隧道应力——应变分析模块，选取横观各向异性材料作为围岩模型；岩体屈服准则采用Mohr-Coulomb准则。相关物理力学参数取值依据室内试验和地质报告提供的数据。
图3 围岩应力、位移及塑性区范围与锚杆轴向间距关系曲线
3. 锚喷支护数值优化分析
结合隧道的支护类型对隧道围岩稳定性的影响规律进行研究。通过选取锚杆的长度L、锚杆的环向间距a、轴向间距b以及喷射混凝土的厚度h这4个参数，在研究单个参数的影响时，选择其它各参数为固定值。单独改变该参数的取值，查看该参数的变化对围岩塑性区范围、形态以及围岩应力场和关键点位移的影响，最终得出这些参数对隧道围岩稳定性的影响。
该地区大部分围岩以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主体，为了说明所研究的支护参数的变化对隧道围岩应力、位移分布以及塑性区的影响，选定围岩为Ⅳ级围岩进行分析，其它物理力学参数则根据室内试验与勘察设计资料确定。
图4围岩应力、位移及塑性区范围与喷射混凝土厚度关系曲线
3.1锚杆长度的优化分析。
（1）为了分析锚杆长度的变化对隧道围岩应力和位移分布的影响，取其它参数为固定值。锚杆的长度分别取2.00，2.25，2.50，2.75，3.00，3.25，3.50，3.75，4.00m共9种情况，得到围岩应力、位移以及塑性区范围与锚杆长度的关系，如图1所示。
（2）由图1(a)和图1(b)可知:随着锚杆长度增加，围岩应力和位移均逐渐变小，锚杆对有效控制围岩变形和避免产生较大的围岩应力有着重要作用，锚杆长度在2.0～3.0 m时，这一变化趋势较明显，但在3.0～4.0 m时，锚杆长度的增加对围岩应力和位移的减小作用明显减缓。
（3）由图1(c)可知:围岩塑性区发展随锚杆长度增加而减小，但变化不大，塑性区域在拱脚和起拱线部分相对较大，改变锚杆长度对塑性区的发展影响较小。综合上述围岩应力、位移以及塑性区分析结果可知，锚杆长度以3.0～3.5 m为宜。
3.2锚杆环向间距的优化分析。
（1）为了分析锚杆环向间距的变化对隧道围岩应力、位移分布的影响，取其它参数为固定值。锚杆的间距分别取0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5m共10种情况，得到围岩应力、位移与锚杆环向间距的关系，见图2。
（2）由图2(a)和图2(b)可知:随着锚杆环向间距增加，围岩应力和位移均逐渐变大，锚杆环向间距对有效控制围岩变形和降低围岩应力效果明显；环向间距在0.6～1.2 m时这一变化趋势较小，但在1.2～1.5 m时锚杆环向间距的增加对围岩应力和位移的增大作用明显加大。
（3）由图2(c)表明:围岩塑性区发展随锚杆间距增加而增大，但变化不大，改变锚杆环向间距对塑性区的发展影响较小。综合上述分析，锚杆的设计环向间距以1.0～1.2 m为宜。
3.3锚杆轴向间距的优化分析。
（1）为了分析锚杆轴向间距的变化对隧道围岩应力、位移分布的影响，取其它参数为固定值。锚杆的间距分别取0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5m共10种情况，模拟隧道开挖得到围岩应力、位移与锚杆轴向间距的关系，见图3。
（2）由图3(a)和图3(b)可知:随着锚杆轴向间距增加，围岩应力和位移均逐渐变大，锚杆轴向间距对有效控制围岩变形和降低围岩应力效果明显；轴向间距在0.6～1.2 m时，这一变化趋势较小，但在1.2～1.5 m时，锚杆轴向间距的增加对围岩应力和位移的增大作用明显加大。
（3）由图3(c)可知:围岩塑性区发展随锚杆轴向间距增加而增大，但变化不大，改变锚杆轴向间距对塑性区的发展影响较小。综合上述分析，锚杆的设计轴向间距以1.0～1.2 m为宜。
3.4混凝土厚度的优化分析。
（1）分析混凝土厚度的影响时，锚杆的间距分别取16，18，20，22，25，30 mm共6种情况，得到围岩应力、位移与喷射混凝土厚度的关系，见图4。
（2）由图4(a)和图4(b)可知:随着混凝土厚度增加，围岩应力和位移均逐渐变小；混凝土厚度在16～22mm时，这一变化趋势较明显，但在22～30 mm时，混凝土厚度的增加对围岩应力和位移的增大作用明显减小，喷射混凝土厚度大小对控制围岩变形和降低围岩应力效果明显。
（3）由图4(c)可知:围岩塑性区发展随喷射混凝土厚度的增加而减小，变化趋势与位移和应力变化趋势相近，改变混凝土的厚度对塑性区的发展影响较大。综合上述分析，喷射混凝土层的设计厚度以22～25 mm为宜。
4. 结论
通过数值计算对Ⅳ级围岩锚喷支护参数进行了优化分析，结论如下:
（1）锚杆长度、环向间距、轴向间距及喷射混凝土厚度在一定范围内对围岩位移及应力影响效果明显。锚杆长度、环向间距及轴向间距对塑性区域的影响不大，喷射混凝土厚度对塑性区的发展影响较大，同时在拱脚及起拱线部分塑性区发展明显，施工中应考虑在此区域加强支护。
（2）通过综合对比分析不同锚杆长度对围岩应力、位移以及塑性区发展范围的影响，锚杆的设计长度以2.5～3.0 m为宜。
（3）通过综合对比分析不同锚杆轴向间距和环向间距对围岩应力、位移以及塑性区发展范围的影响，锚杆的设计轴向、环向间距以1.0～1.2 m为宜。
（4）通过综合对比分析不同喷射混凝土厚度对围岩应力、位移以及塑性区发展范围的影响，喷射混凝土层的设计厚度以22～25 mm为宜。
（5）通过对比，考虑到施工安全与经济等多方面因素，优化后的Ⅳ级围岩锚喷支护参数为:锚杆采用间距1.2 m(环向)×1.0 m(轴向)，长3.0 m，喷射混凝土厚度采用25.0 mm。
参考文献
［1］林才元，徐胜锋.隧道锚喷支护体系作用机理浅析［J］.中国西部科技(学术)，2007,06:26～27.
［2］王晓峰.隧道锚喷支护设计浅谈［J］.天然气与石油，2007,04:49～52.
［3］钟放平.水平层状围岩隧道锚喷支护参数优化试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2008,01:59～63.
［4］冯联新，潘星.隧道锚喷支护作用机理探讨［J］.工程建设与档案，2005,05:405～407.
［文章编号］1006-7619（2014）06-18-329