锚杆支护对土质隧道围岩位移影响的数值分析.pdf

June2023年6 月Shanxi Science&Technology of TransportationNo.3第3 期（总第2 8 2 期）山西交通科技锚杆支护对土质隧道围岩位移影响的数值分析闫茂龙（山东北汇建设工程有限公司，山东菏泽274000)摘要：采用离散元法模拟了锚杆支护对土质隧道围岩位移的影响，分析了锚杆不同长度、不同间距时隧道上方围岩竖向位移的变化情况。结果表明：固定锚杆间距，锚杆越长在其加固范围内的隧道上方围岩竖向位移越小，但其加固范围以外的隧道上方围岩竖向位移反而略有增大；固定锚杆长度，随其间距的增大隧道上方围岩竖向位移始终有增大的趋势，且拱顶围岩竖向位移大体呈对数曲线增大的趋势；锚杆最优间距随其总长度的增加而减小。关键词：隧道；锚杆；悬吊效应；围岩；数值分析中图分类号：U452.12文献标识码：A文章编号：10 0 6-3 5 2 8(2 0 2 3)0 3-0 111-0 4Numerical Analysis of Influence of Bolting on Displacement ofSoil Tunnel Surrounding RockYAN Maolong(Shandong Beihui Construction Engineering Co.,Ltd.,Heze,Shandong 274000,China)Abstract:The influence of the bolting on the displacement of the soil tunnel surrounding rock wassimulated by the discrete element method to analyze the change in the vertical displacement of thesurrounding rock above the tunnel under different lengths and spacing of the bolt.The results showed thatwith fixed bolt spacing,the longer the bolt,the smaller the vertical displacement of the surrounding rockabove the tunnel within the range of reinforcement,but the larger out of the range of reinforcement.Withfixed bolt length,the vertical displacement of the surrounding rock above the tunnel consistently increasedwith the increase of bolt spacing,and it approximately increased logarithmically.The optimal bolt spacingdecreased with the increase of the total bolt length.Key words:tunnel;bolt;suspension effect;surrounding rock;numerical analysis0引言锚杆在隧道支护体系中是一种很有效的支护方式 I-2，合理确定该支护参数将直接影响到隧道围岩的稳定性。通常锚杆的加固效应主要有4种：悬吊效应、增强效应、成拱效应和内压效应 3 。其中悬吊效应是指锚杆把由于开挖、爆破等造成的松动岩块稳固（悬吊)在稳定岩层上，防止破碎岩块冒落的效应4。锚杆支护参数主要是根据设计者的经验、数值计算、相关试验以及工程规范等进行选取 5 。主要利用锚杆的悬吊效应并借助离散元法模拟锚杆支护参数（长度、间距）对隧道围岩稳定性的影响，可为隧道防护工程及锚杆优化设计提供参考。本文基于离散单元法，从细观角度研究锚杆支护对土质隧道围岩位移的影响。从前期学者的研究成果来看，离散单元法已用于分析围岩的失稳机制 6-8 。A.Fakhimi等9 用离散单元法模拟了岩石中圆形洞体的开挖问题，分析了洞周围岩的破坏机理。朱伟等 10 已对盾构隧道垂直土压力松动效应进行颗粒流模拟研究。蒋明镜等也已对考虑尾隙的盾构隧道土压力进行了离散元数值分析。本文采用离散单元法模拟锚杆支护对隧道围岩位移的影响，并分析了锚杆不同长度、不同间距时隧道上方围岩竖向位移的变化情况收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 7；修回日期：2 0 2 3-0 1-0 1作者简介：闫茂龙（19 8 8 一），男，山东菏泽人，工程师，工学硕士，2 0 15 年毕业于桂林理工大学土木工程专业。1122023年第3 期山西交通科技1隧道数值计算模型数值模拟中，围岩参数取用参考文献 12 ,定义上下左右4道墙体（法向、切向刚度分别为2 10 N/m、1.510N/m），创建宽6 0 m，高8 0 m的模型箱，在模型箱内分3 层生成15 6 7 41个圆形颗粒（密度为2 6 3 0 kg/m）制备砂土试样，试样的生成过程如图1所示。888在图示位置（单位：m）对首层颗粒施加重力在图示位置随机生成随机生成6 7 5 6 个圆形颗09加速度，待其达到自129716个圆形颗粒（半粒（半径10 2 0 cm），重平衡状态后，试样高9os径2.5 5 cm），颗粒呈颗粒呈均匀分布。度被压缩至10 m左右。均匀分布。0z01010203040506001020304050601020304050608同上生成第三层，其颗对第二层颗粒施加重力粒2 0 2 6 9 个（半径10 加速度，待其达到自重0920cm），试样最终被压平衡状态后，试样高度缩至5 2 m左右。9os被压缩至2 2 m左右。OO010203040506001020304050600102030405060图1颗粒流模型的试样生成隧道数值模型如图2 所示，开挖断面位于第二层试样的中间（直径为6 m，埋深3 5.5 m）。模拟试验过程为：删除圆形隧道开挖范围内的颗粒；将衬砌（厚0.4m）处颗粒的法向、切向刚度分别改为7.8 10 N/m、3.4x10N/m，另外创建该处颗粒间的平行黏结（法向、切向黏结刚度分别取2.110 lPa/m、0.9 10 l Pa/m，法向、切向黏结强度均取1x10Pa，p b _r a d i u s 取1)；将锚杆处颗粒的法向、切向刚度分别改为7.8 10 N/m、3.410 N/m，并将锚杆与围岩之间的摩擦系数设为0.5，另外创建该处颗粒间的平行黏结（法向、切向黏结刚度分别取1x1012Pa/m、5 10 Pa/m，法向、切向黏结强度分别取11012Pa、5 x 10 Pa，p b _r a d i u s 取1)；再次达到自重平衡状态后，得到隧道围岩位移的分布规律锚杆衬砌图2隧道颗粒流模型本文研究内容主要包括：锚杆支护对隧道围岩位移的影响；锚杆（间距1.17 8 m）长度对隧道上部围岩位移的影响，长度取0.5 m、1m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4m、4.5 m；锚杆（长度3 m）间距对隧道上部围岩位移的影响，间距取0.47 1m、0.5 2 4m、0.5 8 9 m、0.6 7 3 m、0.7 8 5 m、0.942m、1.17 8 m、1.5 7 1m、2.3 5 6 m；锚杆总长取2 7 m时，间距对隧道拱顶处围岩位移的影响，间距同上（本文针对某一间距，单根锚杆长度相同）；不同锚杆总长度对应的最优间距，以及最优间距条件下的隧道拱顶处围岩位移，总长度取9 m、13.5 m、18 m、2 2.5 m、2 7 m。2数值模拟结果分析2.1隧道围岩竖向位移图3 为无锚杆、有锚杆（长度3 m，间距1.17 8 m）时隧道开挖稳定后围岩竖向位移云图。对比两种情况可知，锚杆在很大程度上限制了隧道上部围岩的竖向位移，但随着至隧道距离的增大该影响愈加不明显。另外，锚杆对隧道左、右、下部围岩的竖向位移基本无影响。14-0.00412200:0200:0100.0068100:0-0.0086-001-0.012-0.0014-0:0160200-2-40.016-60.01220.0088-10-16-14-12-10-8-6-4-202468101214.16a.无锚杆113闫茂龙：锚杆支护对土质隧道围岩位移影响的数值分析2023年第3 期141210200:00.0068100:0-8000-6-0.0014202498000.0160.0120:0040.008-10-16-14-12-10-8-6-4-20246810121416b.有锚杆图3隧道围岩竖向位移云图（单位：m）2.2锚杆长度对隧道上部围岩竖向位移的影响图4为隧道正上方围岩竖向位移随锚杆（间距1.178m）长度的变化情况。由图4可知，与无锚杆情况对比，锚杆加固范围内的围岩竖向位移显著降低，且锚杆越长该现象越明显；但超出锚杆加固范围该位移变化不大，且当锚杆长度超过一定值时随其长度增加该位移略有增大。上述现象主要由于锚杆的悬吊作用原理引起的，即通过锚杆将软弱、松动、不稳定的围岩悬吊于稳定的围岩中，以防其滑落，从而导致锚杆加固范围内的围岩竖向位移显著降低；距隧道越远围岩越稳定，致使锚杆越长其加固范围内的围岩竖向位移越小；锚杆越长对围岩的干扰范围越大，从而引起锚杆加固范围以外的围岩位移略有增大。181614+无锚杆12锚杆长度1.5 m锚杆长度3 m锚杆长度4.5 m642048121620242832至隧道拱顶距离/m图4锚杆长度对隧道正上方围岩竖向位移的影响图5 为隧道拱顶围岩竖向位移随锚杆长度的变化情况。由图5 可知，随锚杆长度的增加拱顶围岩竖向位移有减小的趋势；但锚杆长度大于3.5 m时，该趋势不明显，即锚杆长度大于一定值时，随锚杆长度的增加拱顶围岩竖向位移基本保持不变1810800.511.522.533.544.5锚杆长度/m图5锚杆长度对隧道拱顶围岩竖向位移的影响2.3锚杆间距对隧道上部围岩竖向位移的影响图6 为隧道正上方围岩竖向位移随锚杆（长度3 m）间距的变化情况。由图6 可知，锚杆间距区别于其长度对隧道正上方围岩竖向位移的影响，在于不同锚杆间距对应的影响曲线之间没有交点，即隧道正上方围岩竖向位移始终随锚杆间距的增大而增大。10锚杆间距1.5 7 1m8锚杆间距1.17 8 m6锚杆间距0.7 8 5 m4锚杆间距0.5 2 4m20048121620242832至隧道拱顶距离/m图6锚杆间距对隧道正上方围岩竖向位移的影响图7 为隧道拱顶围岩竖向位移随锚杆间距的变化情况。由图7 可知，隧道拱顶围岩竖向位移随锚杆间距的增加大体呈对数曲线增大。s=3.358ln(x)+7.975R2=0.996数据拟合曲线16650.40.6 0.81.01.2.1.41.61.82.02.22.4锚杆间距/m图7锚杆间距对隧道拱顶围岩竖向位移的影响2.4固定锚杆总长度间距对隧道拱顶处围岩竖向位移的影响图8 为锚杆总长取2 7 m时，隧道拱顶围岩竖向位移随锚杆间距的变化情况。由图8 可知，锚杆间距约为0.6 m时，隧道拱顶围岩竖向位移出现极小值，称该间距为锚杆最优间距。对此解释为：锚杆间距较小时对应其长度就较短，锚杆产生不了有效的悬吊作用，从而隧道拱顶围岩竖向位移偏大；锚杆间距较大时对应其长度就较长，较长锚杆相应的悬吊作用随其长度的增加而趋于稳定，此时锚杆间距的增加导致了隧道拱顶围岩竖向位移也偏大。8.88.78.68.58.48.38.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4锚杆间距/m图8锚杆间距对隧道拱顶围岩竖向位移的影响（锚杆总长2 7 m）图9 为锚杆最优间距随锚杆总长度的变化情况。由图9 可知，锚杆最优间距随其总长度的增加而减小。上述由于锚杆总长度较小时，选用单根较长的锚杆才能产生有效的悬吊作用，从而导致锚杆的最优间距较大；锚杆总长度较大时，较长锚杆相应的悬吊作用随其长度的增加而趋于稳定，此时适当减小锚杆间距能达到降低隧道拱顶围岩竖向位移的效果。上接第10 6 页1142023年第3 期山西交通科技1.21.11.00.90.80.70.60.569121518321242730锚杆总长度/m图9锚杆最优间距-锚杆总长度关系曲线图10 为锚杆间距最优时隧道拱顶围岩竖向位移随锚杆总长度的变化情况。由图10 可知，在锚杆间距最优的条件下，拱顶围岩竖向位移随锚杆总长度的增加而减小；与锚杆间距为1.17 8 m时的情况对比，两种情况均随锚杆总长度增加呈现拱顶围岩竖向位移减小趋势降低的现象，且两种情况对应的拱顶围岩竖向位移相差不大，说明锚杆总长度对拱顶围岩竖向位移的影响远大于其间距带来的影响12.011.0一锚杆最优间距10.5斤-锚杆间距1.17 8 m10.09.59.08.58.0L6912151821242730锚杆总长度/m图10隧道拱顶围岩竖向位移-锚杆总长度关系曲线（锚杆间距最优）3结论本文采用离散单元法模拟了锚杆支护对隧道围岩位移的影响，并分析了不同锚杆支护方式对隧道上方围岩竖向位移的影响，得到的主要结论如下：a)对比无锚杆情况，有锚杆支护（间距固定）在其加固范围内隧道上方围岩竖向位移显著降低，且锚杆越长该现象越明显；但锚杆加固范围以外隧道上方围岩竖向位移变化不大，且当锚杆长度超过一定值时随其长度增加该位移略有增大。b)锚杆间距固定时，隧道拱顶围岩竖向位移随锚杆长度的增加而减小，但锚杆长度大于一定值时，随锚2关宝树，熊火耀.从新奥法基本原则看隧道仰拱的作用 CJ/中国土木工程学会隧道及地下工程学会第七届年会暨北京西单地铁车站工程学术讨论会论文集（上），19 9 2.3 重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范：JTGD702004S.北京：人民交通出版社，2 0 0 4.杆长度的增加该位移基本保持不变。c)锚杆长度固定时，隧道上方围岩竖向位移始终随锚杆间距的增大而增大，拱顶围岩竖向位移随锚杆间距的增加大体呈对数曲线增大的趋势d)锚杆总长度固定时，其最优间距存在，即此间距条件下隧道拱顶围岩竖向位移最小。e)锚杆最优间距随其总长度的增加而减小，且锚杆间距最优时隧道拱顶围岩竖向位移也随其总长度的增加而减小；锚杆总长度对拱顶围岩竖向位移的影响远大于其间距带来的影响。参考文献：1文刘健，仲奇，岳秀丽，等.隧道锚杆支护的力学性能分析 J.铁道建筑技术，2 0 17（9）：19-2 2,3 2.2 贾光辉.顶部系统锚杆在不同跨度隧道中的作用效果研究 J铁道建筑技术，2 0 19（7）：2 7-3 0，9 1.3重庆建筑工程学院.岩石地下建筑结构 M.北京：中国建筑工业出版社，19 8 2.4张乐文，汪稔.岩土锚固理论研究之现状 J.岩土力学，2 0 0 2，23(5):627-631.5 张友葩，高永涛，吴顺川，等.基于改进神经网络的预应力锚杆布置间距 J.长安大学学报（自然科学版），2 0 0 3，2 3（3）：5-10.6 汪成兵，朱合华.隧道塌方影响因素离散元分析 J.地下空间与工程学报，2 0 0 7,3（8）：149 0-149 5.7汪成兵，朱合华.隧道塌方机制及其影响因素离散元模拟 J岩工程学报，2 0 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