涨壳式预应力中空锚杆锚固效果及其支护参数优化_王维涛.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：王维涛（），男，陕西咸阳人，高级工程师，：。通讯作者：王志丰（），男，河南汤阴人，教授，工学博士，：。第 卷第期 年月长安大学学报（自然科学版）（）王维涛，鲁武民，王纬康，等 涨壳式预应力中空锚杆锚固效果及其支护参数优化 长安大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：涨壳式预应力中空锚杆锚固效果及其支护参数优化王维涛，鲁武民，王纬康，石玉鹏，贾士孔，杨强，王志丰（中铁北京工程局集团第一工程有限公司，陕西 西安 ；长安大学 公路学院，陕西 西安 ）摘要：为探究隧道岩爆地段涨壳式预应力中空锚杆的锚固效果及其支护能力，依托中兰（中卫兰州）铁路香山隧道工程，利用现场锚固试验，对比分析了涨壳式锚固和其他锚固形式在岩爆隧道中的锚固效果，同时采用有限元数值分析软件 ，分析不同工况下的隧道围岩压力、围岩变形及锚杆轴力对围岩稳定性的影响，进而提出了涨壳式预应力中空锚杆优化后的支护参数，并基于现场实测数据，对涨壳式预应力中空锚杆与普通砂浆锚杆的现场应用效果进行评价。研究结果表明：相对于树脂锚固、水泥药卷以及水泥砂浆锚固形式，涨壳式锚固以其最大的锚固力、支护及时性以及较强的耐久性能，成为本次试验的最优锚固形式，并且能够满足岩爆隧道快速预应力锚固形式施加要求；涨壳式预应力中空锚杆支护参数对围岩稳定性的影响程度从大到小依次为锚杆间距、锚杆长度、预应力、锚杆直径，且直径、间距、施加预应力 、长度 为香山隧道岩爆段涨壳式预应力中空锚杆支护参数的最优组合；相比于普通砂浆锚杆，现场采用涨壳式预应力中空锚杆后，隧道拱顶沉降和水平收敛、线变形量减小了 、和 ，收敛时间提前了，拱顶和左、右拱腰围岩压力值减小了 、和 ，进一步验证了涨壳式预应力中空锚杆在岩爆隧道中应用的优越性。关键词：隧道工程；岩爆；数值模拟；涨壳式预应力中空锚杆；锚固效果；支护参数优化中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，（），：；引言随着中国中西部地区交通建设的不断推进，西北地区的公路、铁路建设的规模也在不断扩大，但受构造运动的影响，该地区地质条件极其复杂，修建的隧道也较大，高地应力问题不断涌现。高地应力环境下隧道的开挖改变了岩体的初始应力状态，隧道部分区域出现应力集中现象，进而产生诸如初期支护严重变形、钢架屈服破坏、二次衬砌开裂以及岩爆等现场灾害。涨壳式预应力中空锚杆因其快速锚固的特点，而被广泛用于高地应力岩爆区段隧道支护，而不同的锚固形式，对缓解岩爆、稳定围岩的作用效果也不尽相同。岩爆地段的隧道围岩内部应力分布也更为复杂，采用普通预应力锚杆参数往往不能达到支护要求。因此，开展岩爆地段中预应力中空注浆锚杆的锚固效果研究以及支护参数的优化是十分必要的。目前，对于岩爆地段涨壳式预应力中空锚杆，国内外学者已经进行了大量研究，并取得了一定的成果，主要集中在岩爆隧道涨壳式锚杆支护技术、涨壳式预应力锚杆施工改进等方面。锚杆不同支护参数的选用对围岩稳定性有所差异，影响对隧道的支护效果。对于涨壳式预应力锚杆的施工技术与锚固特性，等指出锚固长度是影响预应力锚杆锚固能力的重要因素；刘江等通过在隧道软弱围岩段大断面施工段涨壳式预应力中空锚杆的应用研究，总结其工作原理、工艺流程，并结合现场监测数据，说明了该锚杆在快速约束围岩以及保证围岩稳定方面的优越性。以上学者研究了涨壳式预应力中空锚杆的锚固特性，以及其比普通砂浆锚杆在支护方面的优越性，但未对锚杆参数方面进行分析。康红普等分析了普通砂浆锚杆预应力、锚杆长度、锚杆支护密度、锚杆安装角度以及锚固方式等支护参数对锚杆预应力场的影响，提出了预应力锚杆支护参数选择的原则及范围。郭建新等结合隧道工程实例，研究了隧道开挖过程中破坏区域的范围和破坏区域，指出可以通过计算围岩的破坏区域和承载能力去获得锚杆支护设计参数。戴俊等运用理论分析结合现场实测的方法，对锚杆支护参数进行调整设计，实现锚杆长安大学学报（自然科学版）年支护的参数优化。李德军等采用 软件对锚杆长度、锚杆间距和喷射混凝土厚度等初期支护参数进行了多工况优化分析，确定了工程实例优化断面的最优初期支护参数。以上学者运用数值模拟的方法，从锚杆不同参数入手给出了较优的支护参数，但大多偏向于普通砂浆锚杆，对涨壳式预应力中空锚杆的参数优化研究较少。综上，目前对于岩爆隧道涨壳式预应力中空锚杆的研究存在两方面的问题：只研究了涨壳式预应力中空锚杆在隧道中起到的支护效果，未将锚杆涨壳式锚固与其他锚固形式在岩爆隧道的锚固效果对比；锚杆支护参数的取值大多等同于普通锚杆，对于涨壳式预应力中空锚杆支护参数的研究相对较少，而涨壳式预应力锚杆在高地应力隧道应用较广，故以往研究在隧道岩爆段工程中起到参考和借鉴的作用并不明显。本文依托宁夏香山隧道工程，通过岩爆段现场试验，对涨壳式锚固与其他锚固形式进行工况设计，分析其对隧道围岩的锚固效果。通过数值模拟，分析锚杆直径、间距、预应力及长度等参数对隧道围岩稳定性的影响，进而对锚杆支护参数进行优化。基于实测数据，对涨壳式预应力中空锚杆在岩爆隧道中应用效果进行评价分析。相关结论可为同类隧道工程提供一定参考与借鉴。工程背景 工程概况依托工程香山隧道位于中兰（中卫兰州）铁路，穿越香山山脉，为双线高铁隧道。隧道里程桩号为 ，全长 ，最大埋深 。隧址区地貌单元为低中山区，地形起 伏，间 歇 性 沟 谷 发 育，呈形 谷，海 拔 高 程 。地质条件隧道区断裂及褶皱构造发育，且呈现平行展布。根据工程地质报告及钻探结果，隧道区地层主要为第四系全新统冲击圆砾土、上更新统风积砂质黄土、泥岩、页岩、砂岩。隧道区地层岩性主要以寒武系变质岩为主。隧道纵断面如图所示。此隧道主要有危岩、落石和崩塌、岩溶、泥石流、高地应力、岩爆等不良地质。图香山隧道地质结构构造分布 支护设计隧道按喷锚构筑法技术要求设计，初期支护采用喷锚支护。喷射混凝土采用湿喷工艺。锚杆采用涨壳式预应力中空锚杆。级围岩初期支护设计断面如图所示。图中：为三心圆的圆心；为三心圆的半径。涨壳式预应力中空注浆锚杆主要由涨壳式锚头、中空锚杆杆体、止浆塞、锚垫板、塑料排气孔、螺母等组成。通过使锚杆前端涨壳头张开，使锚杆垫板与围岩有效接触，给锚杆施加一定的预应力，会在第一时间形成压力拱效应，减缓围岩的松弛变形；然后通过注浆，将锚杆杆体与围岩黏结成为整体，提高围岩的完整性，提供摩擦阻力，阻止岩体发生位移，最终达到抑制围岩变形的目的，涨壳式中空注浆锚杆结构示意如图所示。锚固效果现场试验 试验设计及试验材料隧道工程锚固形式主要有机械式和黏结式，典型代表为涨壳式锚固、锚固剂锚固。本文所依托工程具有高地应力、岩爆等复杂的不良地质特征，因此，选取一种支护及时并且锚固效果可靠的锚固形式是保障安全施工的关键环节。为探明不同锚固形式的锚固效果，开展了针对涨壳式、水泥药卷、树脂第期王维涛，等：涨壳式预应力中空锚杆锚固效果及其支护参数优化图级围岩初期支护设计断面 图涨壳式预应力中空锚杆结构 药卷以及水泥浆等锚固形式的锚固力现场试验，具体试验工况见表。表试验工况 试验编号锚固形式锚杆直径 锚杆长度 锚固长度 凝结时间 涨壳式水泥药卷树脂药卷水泥浆，（点锚）（端锚），（端锚）（全长锚），试验材料包括普通中空注浆螺纹锚杆、涨壳式预应力中空锚杆、水泥药卷、拉拔仪（最大拉拔力 ）树脂药卷、水泥浆、钻机、以及百分表。试验拟选取 段进行锚杆锚固效果的测试，该段单轴饱和抗压强度较大，岩体的完整性较好，综合评定围岩级别为级。试验过程以香山隧道岩爆地段为依托，采用单一锚固形式对涨壳式预应力中空锚杆和其他常用锚固剂的锚固效果进行现场测试工作。现场试验步骤包括钻孔、验孔、清孔、安装锚固和锚杆拉拔个阶段，现场试验如图所示。钻机以外露 锚杆长度为标准钻孔长度，清孔时尽量减少孔内残渣，拉拔仪应按照 加载速率逐级加载，直到压力表读数稳定或者锚固体系产生破坏为止，并在每级加载后通过百分表读取杆端位移。图现场试验 试验结果分析根据表的工况，不同锚固形式所得到的荷载位移曲线如图所示。由图可知：与其他锚固形式相比，采用涨壳式锚固形式的锚固力较大，极限锚固力值范围为 ；锚固力随着锚固长度增大而提升，但不同锚杆长度的锚固力值比较接近，表明锚杆长度的增加对锚固力的提升有限。采用水泥药卷锚固形式时，凝结、后产生的锚固力分别为 、，表明随药卷凝结时间的增长锚固力逐渐增大，但极限锚固力较小，因此，该锚固形式不仅锚固效果不佳，且受凝结时间的影响较大，不具备及时支护的特性。采用树脂锚固形式时，锚固力随着锚固长度的增大显著提升，在锚固长度、条件下的锚固力分别为 、。采用水泥浆锚固形式时，在凝结时间、时锚固力分别为 、，虽然锚固力的峰值较大，但具有明显的时间效应，凝结时间 时相对于时锚固力提升了 ，支护具有滞后性。综上，采用涨壳式以及树脂药卷锚固形式的极限锚固力较大，更有利于提高围岩的稳定性，但是树脂药卷属于化学类药剂，效用时间短，其耐久性较长安大学学报（自然科学版）年图荷载位移曲线 差，遇水易失效；水泥药卷和水泥浆锚固形式具有明显的支护滞后性，不利于快速提高围岩的承载能力。因此，涨壳式锚固形式为本次试验的最优锚固形式。此外，锚杆通过注浆，可以在较高的注浆压力下迅速渗透到钻孔及其周围岩体缝隙中，使锚杆和孔壁黏结牢固，达到长久抑制围岩变形的目的，满足岩爆隧道的快速预应力锚固的要求。支护参数优化 模型建立基于有限元仿真软件 对该隧道的锚杆支护参数优化分析。假定围岩为均质弹塑性体，岩体的变形是各向同性的。本文建立的三维有限元模型单元如图所示，模型长、宽、高为、，隧道埋深取 。模型按照两台阶法进行开挖，每循环进尺为，混凝土喷射厚度为 ，并通过网格组的激活和钝化来模拟隧道的开挖施工。利用实体单元对围岩进行模拟，利用板单元对喷射混凝土进行模拟，利用植入式桁架对预应力锚杆进行模拟，选用弹性的本构模型。模型采用摩尔库伦本构模型，涨壳式预应力锚杆通过软件内置的预应力施加按钮进行预应力的加载，并对锚杆与垫板处的端头施加平动和转动的约束。模型上边界为自由边界，底部为竖向位移约束，个侧面为法向位移约束，顶部受地应力约束。图数值计算模型 根据该隧道的设计资料以及相关的隧道设计规范，模型选取的围岩和支护结构物理力学参数如表所示。工况设计采用涨壳式预应力中空锚杆支护时，隧道围岩的稳定性不仅与围岩的地质条件、围岩的物理力学性质和地应力有关，还与锚杆的直径、间距、预应力大小和长度等支护参数相关，而且采用数值模拟方法进行优化时，改变锚杆的任何个参数都会对隧道围岩稳定性产生不同程度的影响。故要获得这些支护参数的综合最佳值，需采用控制变量的方法，保持种锚杆支护参数不变，设置种工况如表所示。第期王维涛，等：涨壳式预应力中空锚杆锚固效果及其支护参数优化表模型材料计算参数 材料容重（）弹性模量（）泊松比黏聚力（）内摩擦角（）厚度或直径本构模型级围岩 莫尔库伦模型喷射混凝土 弹性模型锚杆 弹性模型表锚杆参数优化的计算工况 工况类型工况编号参数变量其他计算参数直径长度间距预应力 锚杆直径工况直径、锚杆间距工况间距、预应力值工况预应力值、锚杆长度工况长度、计算结果分析 锚杆直径优化不同锚杆直径模型结果分析如图所示，可见，随着锚杆直径的不断增大，在数值上围岩的最小主应力和最大主应力几乎不变。随着锚杆直径的增大，隧道拱顶沉降量和水平位移值并非一直减小，都呈先减小再增长的趋势。与直径 相比，隧道拱顶沉降值变化率为 、和 ，水平位 移 变 化 率 为 、和 。随着锚杆直径的增大，锚杆轴力总体趋势是上升的，锚杆直径增大会导致轴力增大。同时，锚杆轴力在锚杆直径 时增幅最小，在 时增幅最大。分析可得，增大锚杆的直径对隧道围岩应力的影响并不明显，同时对控制围岩的变形效果也不显著。锚杆直径在 时隧道拱顶沉降值和水平位移较小，且再增大直径会导致锚杆的 轴 力 增 大，故 应 取 为 锚 杆 直 径 最优值。图不同锚杆直径模型结果分析 锚杆间距优化不同锚杆间距模型结果如图所示，可见，随着锚杆间距的增大，最大主应力和最小主应力的最大值总体呈上升的趋势。拱顶沉降在锚杆间距时达 到 最 小 值，间 距 的 平 均 降 幅 为，水平位移总体趋势是增长，且在 长安大学学报（自然科学版）年呈现水平发展，说明存在合理的间距范围段使围岩位移量最小。在不同的锚杆间距下，锚杆轴力的相对增量较小，说明锚杆间距对锚杆轴力影响较弱。分析可得，增大锚杆的布置间距能够减小围岩的 应力，增 强 围 岩 的 稳 定 性，且 当 布 置 间 距 时围岩位移量较小，围岩应力也较小，锚杆轴力的相对差值很小，故应取 为锚杆最优间距。图不同锚杆间距的模型结果分析 锚杆预应力优化不同锚杆预应力模型结果如图所示，可见，随着锚杆施加预应力的增大，最大主应力的最大值在 时达到最大，且最小主应力的最大值呈增大的 趋 势，增 长 率 分 别 为 、。隧道的拱顶沉降和水平位移随着预应力的增大而减小。拱顶沉降的降幅均为 ，水平位移降幅为 、。锚杆轴力 与 预 应 力 成 正 相 关，轴 力 最 大 值 的 增 幅 为 、，说明增加预应力对锚杆内力增加明显。进一步分析可得，适当的增加锚杆预应力可以减小围岩的应力并有效减小围岩的变形。施加锚杆的预应力为 时，围岩位移量最小，且在预应力超过 后最大主应力近乎水平发展，故取 为锚杆预应力施加的最优值。锚杆长度优化不同锚杆长度模型结果如图 所示，可见，锚杆最大主应力最大值随着锚杆长度的增大而减小，在长度 时下降幅度最大，且在长度时达到最小值。锚杆的最小主应力在长度 时也取得最大值。围岩位移与锚杆长度并非成负相关，在不同的锚杆长度下，隧道拱顶沉降和水平位移变化明显，在 时其位移量值最大。拱顶沉降最大降幅为 ，水平位移最大降幅为 。锚杆轴力最大值的相对变化较小。进一步分析可得，增大锚杆的长度对减小围岩的变形同样有显著作用。在锚杆长度 时围岩位移值较小，且不同长度锚杆的轴力相差不大，故应取 为锚杆长度最优值。现场应用及效果评价依据香山隧道现场工程，分别使用普通砂浆锚杆与涨壳式预应力中空锚杆，选取 和 断面进行支护，并在个断面都进行围岩变形和围岩压力的监测。现场收集围岩压力数据的土压力盒加工如图 所示。围岩变形及围岩压力时程曲线，如图 和图 所示。可以看出，围岩变形和围岩压力的发展规律类似，均先后经历缓慢增长、快速增长以及稳定变形个阶段。采用涨壳式预应力中空锚杆，围岩变形得到了明显控制，相比于普通砂浆锚杆，拱顶沉降和水平收敛、线变形量减小了 、第期王维涛，等：涨壳式预应力中空锚杆锚固效果及其支护参数优化图不同预应力条件下模型结果分析 图 不同锚杆长度模型结果分析 和 ，且收敛期提前了。采用涨壳式中空锚杆得到的围岩压力值明显小于普通中空锚杆，拱顶和左、右拱腰围岩压力值减小了 、和 。综上，涨壳式预应力中空锚杆应用于岩爆隧道中可以降低围岩变形和围岩压力，有效提高隧道围岩以及支护结构的整体稳定性，在一定程度上能够降低隧道岩爆事故的发生。结语（）现场锚固效果试验表明，相对其他锚固形式，涨壳式锚固的锚固力最大，可达 ，且具有很强的支护及时性；涨壳式预应力中空锚杆还可以通过注浆，使锚杆和孔壁黏结牢固，达到长久抑制围岩变形的目的，能够满足岩爆隧道快速预应力锚固长安大学学报（自然科学版）年图 土压力盒加工 图 断面围岩变形及围岩压力时程曲线 形式施加要求。（）运用有限元数值分析，对隧道开挖过程中围岩稳定性进行了模拟，得出锚杆参数对隧道稳定性的影响效果。模拟结果表明：锚杆支护参数对改善围岩稳定性的重要程度从大到小依次为间距、长度、预应力和直径；根据各工况分析，确定锚杆直径，间距，施加预应力 ，长度 为此隧道施作的较可行的联合支护方案。（）依据普通砂浆锚杆和涨壳式中空锚杆在岩爆隧道中现场监测数据表明：采用涨壳式预应力中图 断面围岩变形及围岩压力时程曲线 空锚杆，有效控制了围岩变形，相比于普通砂浆锚杆，拱顶沉降和水平收敛、线变形量减小了 、和 ，同时收敛时间提前了，且得到的围岩压力值明显小于普通中空锚杆，拱顶 和 左、右 拱 腰 围 岩 压 力 值 减 小 了 、和 。（）本文在锚杆支护参数的数值模拟中，仅针对锚杆单一支护参数的改变设置了种工况，下一步应考虑不同锚杆支护参数之间的相互作用，从而得出更加契合工程实际的联合支护方案。参考文献：陈仲先，汤雷高地应力大型地下洞室的位移和锚杆应 力 特 性 岩 土 工 程 学 报，（）：，（）：第期王维涛，等：涨壳式预应力中空锚杆锚固效果及其支护参数优化 赵旭，程鼎甲，代志杰，等 断层错动形式对输水隧洞的影响 长安大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：李峰 高地应力构造破碎带隧道大变形灾变机制及控制技术研究 铁 道科 学 与 工 程 学 报，（）：，（）：，（）：刘宇鹏，夏才初，吴福宝，等高地应力软岩隧道长、短锚杆联合支护技术研究岩石力学与工程学报，（）：，（）：屈彪，何治良，王大国，等复杂应力条件下不同锚杆支护 的 巷 道 稳 定 性 金 属 矿 山，（）：，（）：冯艺，石钊，张照太，等涨壳式中空预应力锚杆在 法隧洞施工中的应用和改进 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