一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构及方法与流程

本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构及方法。

背景技术：

在隧道施工过程中，现今大多数的水平层状软硬互层围岩隧道施工设计方案均忽略了岩层中细观结构的影响，也就不能针对性地采取一种合理的支护优化手段，因此长期以来水平软硬互层围岩隧道的锚杆支护方面没能有一个确定且合理的方案。另一方面，在隧道支护过程中，现行支护方法主观性较大，现场支护措施完全是凭靠经验值，这使得锚杆的加固能力和围岩的自承能力均未能得到充分发挥，锚杆与围岩也未能共同承载由于隧道开挖所造成的应力释放和该过程中所产生的变形导致支护过剩。

但是，本发明的发明人经过研究发现，由于水平软硬互层围岩隧道施工后，隧道围岩水平收敛变形较小，拱腰部分与岩层夹角较小的锚杆受力很小，锚杆的作用也未得到充分发挥，即目前采取的锚杆支护方式相对偏保守。现行方案虽然保证了隧道的稳定性及加固效果，但是在隧道施工中的锚杆支护数量方面造成了很大的浪费，从而增加了支护材料消耗和支护成本。

技术实现要素：

针对现有技术存在的在隧道施工中锚杆支护数量方面造成很大的浪费，从而增加了支护材料消耗和支护成本的技术问题，本发明提供一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构及方法。

本发明的发明人针对背景技术关于隧道围岩水平收敛变形较小，拱腰部分与岩层夹角较小的锚杆受力很小的发现，对现有技术方案进行了数值模拟验证，得出现有方案拱腰锚杆受力小的特点，在此基础上提出了本发明的优化方案。具体地，对现有技术方案进行数值模拟验证的方法包括步骤：

S11、获得围岩相关力学参数：采用岩石常规力学性质试验，按照《岩石物理力学性质试验规程》将所要模拟的隧道围岩加工成直径50mm、长100mm的圆柱型标准试件，通过单轴压缩试验、三轴压缩试验、剪切试验获得围岩相关力学参数，所述力学参数包括弹性模量、泊松比、密度、粘聚力和内摩擦角等。

S12、现有方案数值模拟过程：

(1)参数定义：对围岩材料属性中包括弹性模量、泊松比、密度在内的线性参数通过ANSYS软件中的＂mp＂命令进行定义；并选用ANSYS软件自带的弹塑性本构模型，对围岩非线性分析所需的粘聚力、内摩擦角参数采用＂tb，dp＂命令进行定义；前述岩石参数具体数值均通过步骤S11试验得到。

(2)模型建立：建立隧道开挖模型，并划分网格，模型中要包括初衬和二衬，具体可以参照图1所示的隧道支护示意图来建立；岩层自上而下为第一砂岩11―第一泥岩12―第二砂岩13―第二泥岩14―第三砂岩15―第三泥岩16，具体请参考图2所示的隧道模型示意图。

(3)模拟地应力：将水平方向的边界进行约束，使得边界在水平方向位移为零；对于竖直方向，底部位移同样进行限制，也为零；顶部是自由面位移不受限制，在顶部施加重力荷载，模拟上覆岩层的自重；同时，该过程中杀死锚杆及衬砌单元，保证原岩应力下锚杆及衬砌无作用。

(4)模拟开挖到初衬：模拟地应力后，采用＂ekill＂命令杀死开挖岩体材料单元，进而模拟开挖过程，并采用＂ealive＂命令激活锚杆及衬砌材料单元，使其发挥作用，模拟初期支护过程。得出：水平软硬互层围岩隧道上下台阶法施工后水平收敛值＝1.944-(-1.954)＝3.90mm，水平收敛值较小，其具体请参考图3(a)所示；锚杆最小受力值2.6KN，最大受力值97.6KN，数值变化范围较大，换算后得出对应锚杆最大应力为77.9MPa，其中钢筋抗拉强度为130MPa，其具体请参考图3(b)所示。由此可见，部分锚杆受力较小。

在前述对现有技术方案进行数值模拟验证的方法基础上，为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构，包括支护围岩的锚杆，所述围岩按隧道开挖断面的中心线将开挖断面分为左半断面和右半断面，所述左半断面和右半断面上都设有用于支护水平软硬互层围岩的锚杆，所述锚杆垂直于隧道开挖轮廓线布置，且与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆。

进一步，优选与水平岩层所成夹角大于15°且小于30°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆。

本发明还提供一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护方法，包括支护围岩的锚杆，所述围岩按隧道开挖断面的中心线将开挖断面分为左半断面和右半断面，所述左半断面和右半断面上都设有用于支护水平软硬互层围岩的锚杆，所述锚杆垂直于隧道开挖轮廓线布置，将与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线布置的锚杆取消。

进一步，优选将与水平岩层所成夹角大于15°且小于30°的隧道开挖轮廓线布置的锚杆取消。

与现有技术相比，本发明提供的水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构，将与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线布置的锚杆取消，即在与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆，因而减少了在隧道施工中锚杆的支护数量，不仅可以获得良好的加固效果，而且节省了锚杆支护数量，从而降低了支护材料消耗和支护成本；同时本发明本着安全、合理、经济的原则，对原设计中锚杆支护方案提出的优化设计方案，并且验证了其合理性。

附图说明

图1是本发明对现有方案进行数值模拟提供的隧道支护示意图。

图2是本发明对现有方案进行数值模拟过程中建立的隧道模型示意图。

图3(a)是本发明对现有方案进行验证后得出的隧道施工水平收敛(单位：m)示意图。

图3(b)是本发明对现有方案进行验证后得出的隧道施工锚杆轴力(单位：N)示意图。

图4是本发明提供的水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构示意图。

图5本发明提供的锚杆与水平岩层所成夹角的关系示意图。

图6本发明提供的各优化方案初期支护受力变化对比示意图。

图7(a)本发明提供的优化方案优化后水平收敛(单位：m)示意图。

图7(b)本发明提供的优化方案优化后锚杆轴力(单位：N)示意图。

图8(a)本发明提供的优选方案优化后水平收敛(单位：m)示意图。

图8(b)本发明提供的优选方案优化后锚杆轴力(单位：N)示意图。

图中，11、第一砂岩；12、第一泥岩；13、第二砂岩；14、第二泥岩；15、第三砂岩；16、第三泥岩。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

请参考图4所示，本发明提供一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构，包括支护围岩的锚杆，所述围岩按隧道开挖断面的中心线将开挖断面分为左半断面和右半断面，所述左半断面和右半断面上都设有用于支护水平软硬互层围岩的锚杆，所述锚杆垂直于隧道开挖轮廓线布置，且与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆。

与现有技术相比，本发明提供的水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构，将与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线布置的锚杆取消，即在与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆，因而减少了在隧道施工中锚杆的支护数量，不仅可以获得良好的加固效果，而且节省了锚杆支护数量，从而降低了支护材料消耗和支护成本；同时本发明本着安全、合理、经济的原则，对原设计中锚杆支护方案提出的优化设计方案，并且验证了其合理性。

为了更好地说明本发明提供的水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构是最佳支护方案，以下将通过锚杆与水平岩层所成夹角关系，对优化方案设置角度梯度分别进行数值模拟，并以发明人所做的水平软硬互层V级围岩隧道模拟为例进行说明，具体包括以下步骤：

S21、优化方案数值模拟：

根据锚杆与水平岩层所成夹角的关系(具体根据现场施工进行确定)，对水平软硬互层围岩隧道初期支护优化设置梯度，具体请参考图5所示，即对图5中，分别取消左右两边与水平岩层成15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°角以下的锚杆，观察初期支护的受力变化影响，并与成化前所得的各个结果进行对比分析。

S22、各优化方案初期支护受力对比：

具体请参考图6所示的初期支护受力变化对比示意图，由该图可以看出，当把与岩层所成夹角小于40°的锚杆全部取消以后，衬砌及锚杆的最大轴力数值均发生了突变，因此，本发明确定了最佳优化方案为：将与岩层所成夹角小于35°的锚杆全部取消，优化后水平收敛(即围岩位移场)及锚杆轴力如图7(a)和7(b)所示。

通过与图3(a)和图3(b)对比可以发现，优化后围岩位移场变化量较优化前略有增大，此时的水平收敛值为2.19-(-2.214)＝4.404mm，由此可见，取消的锚杆作用较小，对水平收敛结果影响较小；同时，锚杆最小受力值45.9KN，最大受力值97.8KN，相比于优化前，各锚杆受力得到了更充分的发挥。

作为优选实施例，针对工程实际情况，考虑一定的安全性系数，优选与水平岩层所成夹角大于15°且小于30°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆，即将与水平岩层所成夹角大于15°且小于30°的隧道开挖轮廓线布置的锚杆取消，该优选方案水平收敛(即围岩位移场)及锚杆轴力请参考图8(a)和8(b)所示。其中，拱顶下沉值DMX为10.916mm，水平收敛值为2.03-(-1.996)＝4.026mm，锚杆受拉力最大值为97.37KN。

S31、优化方案与现场测试分析对比：

在隧道内对原有方案施工段和优化方案施工段分别选取了10个断面进行测试，所得实测值与模拟数值进行对比，发现相差不大，具体请分别参见下表1和表2。

原有方案施工段位移模拟数值与实测值对比表1：

优化方案施工段位移模拟数值与实测值对比表2：

至此，由前述分析说明可以得出，本发明提供的水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构对应的支护方案为：与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆，优选与水平岩层所成夹角大于15°且小于30°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆，即优选将与水平岩层所成夹角大于15°且小于30°的隧道开挖轮廓线布置的锚杆取消。

本发明还提供一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护方法，包括支护围岩的锚杆，所述围岩按隧道开挖断面的中心线将开挖断面分为左半断面和右半断面，所述左半断面和右半断面上都设有用于支护水平软硬互层围岩的锚杆，所述锚杆垂直于隧道开挖轮廓线布置，将与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线布置的锚杆取消。

作为优选实施例，优选将与水平岩层所成夹角大于15°且小于30°的隧道开挖轮廓线布置的锚杆取消。其中，本发明提供的水平软硬互层围岩隧道锚杆支护方法是最佳支护方案的数值模拟和对比，与前述支护结构相同，在此不再赘述。

与现有技术相比，本发明提供的水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构，将与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线布置的锚杆取消，即在与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆，因而减少了在隧道施工中锚杆的支护数量，不仅可以获得良好的加固效果，而且节省了锚杆支护数量，从而降低了支护材料消耗和支护成本；同时本发明本着安全、合理、经济的原则，对原设计中锚杆支护方案提出的优化设计方案，并且验证了其合理性。

综上所述，本发明主要针对现有采用例如上下台阶法施工的水平软硬互层围岩隧道的锚杆支护方法进行研究，并采用数值模拟方法进行分析，采取优化措施得出的具体支护方案，并通过现场数据进行合理性验证。发明的目的在于锚杆的加固能力和围岩的自承能力均能得到充分发挥，并充分实现锚杆与围岩共同承载，不仅可获得良好的加固效果，而且节省锚杆支护数量。同时，本发明提供的支护结构及支护方法，对类似于水平软硬互层围岩隧道具有借鉴意义，在应用方面具有良好的经济性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。