本文以蘭渝線(xiàn)鐵路隧道施工為工況背景，以長(cháng)錨桿作為隧道圍巖變形控制的主要手段，介紹了隧道錨固數值模擬過(guò)程，簡(jiǎn)要分析了圍巖穩定性，對于軟弱圍巖隧道，優(yōu)化的長(cháng)錨桿設置對圍巖的加固效果優(yōu)于普通錨桿設置。

　　0 引言

　　目前，普遍應用于地質(zhì)條件較好的巖土工程中的錨桿，其支護效果表現良好。但在圍巖松軟破碎、高地應力等復雜條件下的大變形隧道中，錨桿支護仍然是尚待解決的難題。國內外錨桿支護正朝著(zhù)提高錨固力、提高支護效率、擴大應用范圍方向發(fā)展。普遍認為開(kāi)發(fā)具有強初撐、急增阻、高阻力力學(xué)特性的錨桿支護，是控制高應力、軟巖大變形隧道的有效途徑，是錨桿支護的主要發(fā)展方向[1].

　　本文以蘭渝線(xiàn)蘭州至廣元段鐵路隧道施工為工況模擬背景，針對該工程隧道開(kāi)挖中圍巖大變形問(wèn)題（開(kāi)挖變形達25cm），以長(cháng)錨桿作為變形控制的主要手段，對現場(chǎng)試驗進(jìn)行模擬對比驗證計算，為完善軟巖大變形控制方法提供進(jìn)一步依據。

　　1 工程概況

　　該工程位于甘肅省岷縣縣城東邊。隧道于洮河右岸岷縣奈子溝村東側山坡（DK201+820）進(jìn)洞，在岷縣正龍骨料飼料廠(chǎng)后山坡（DK206+955）出洞。隧道全長(cháng)5135m，為雙線(xiàn)隧道。隧道進(jìn)、出口位于國道G212路邊，交通方便。洞身段落山大溝深，地形起伏很大，距離國道較遠，交通不便。該工程地貌上位于西秦嶺中山區。山高溝深，山坡、谷坡較陡，隧道洞身最大埋深248m，梁頂植被覆蓋較好。該隧道洞身經(jīng)過(guò)的地層有第四系全新統坡積砂質(zhì)黃土、碎石土；二疊系下統炭質(zhì)板巖、板巖、砂巖，三疊系中統板巖、砂巖等。山坡表層覆蓋有第四系全新統坡積黏質(zhì)黃土，坡積、滑坡堆積粗角礫土、碎石土等。

　　2 錨固試驗施工方法

　　考慮到成本投入和施工的便利性、可操作性，制定方案主要如下。以長(cháng)錨桿作為變形控制的主要手段設置試驗段，沿中線(xiàn)對稱(chēng)布置，錨桿鉆孔施作采用專(zhuān)用幫錨桿機。分三組試驗：第一組錨桿長(cháng)3m；第二組錨桿長(cháng)6m；第三組錨桿長(cháng)8m；錨桿間距均為1m.錨桿布置情況如圖1所示。該控制措施效果富余時(shí)，可再確定加大錨桿間排距試驗，以便于確定合理的加固措施。其中3m、6m、8m長(cháng)錨桿分別選用？準22螺紋鋼、？準42注漿鋼管、？準70注漿鋼管，其施作富余部分與鋼拱架焊接，鎖定鋼拱架。施作步驟：鉆孔→快硬水泥卷與螺紋鋼端頭插入→送快硬水泥卷與螺紋鋼入孔→注漿→螺紋鋼鎖定鋼拱架。

　　3 模擬計算及分析

　　為分析錨桿對隧道圍巖變形控制的影響，根據實(shí)際工程的地質(zhì)條件分別進(jìn)行錨桿長(cháng)度和直徑的對比試驗的模擬研究。

　　3.1 隧道計算范圍及地質(zhì)條件 隧道左右側邊界為隧道開(kāi)挖洞徑的4倍，上下側為隧道開(kāi)挖洞徑的3倍（隧道毛斷面凈高12.5m，跨度14.0m）。依據地形條件加載自重應力。圍巖為Ⅴ級，處在F3斷層內，隧道洞身二疊系～三疊系板巖、砂巖巖體節理裂隙發(fā)育，工程地質(zhì)條件差。

　　3.2 計算單元和計算參數的選取 根據隧道結構的不同部分的特點(diǎn)選用合適的單元可以使模型更加接近工程實(shí)際，提高計算精度，減小解題規模。本次模擬采用ANSYS軟件對隧道開(kāi)挖采用二維方式模擬，計算采用了三種單元，用實(shí)體單元PLANE42模擬圍巖和挖去的土體單元，用桿單元LINE1模擬隧道錨桿，用梁?jiǎn)卧狟EAM3模擬噴射混凝土和鋼拱架[2][3].主要模擬計算參數如下：噴射混凝土：厚度0.3m，彈性模量30e9Pa，泊松比0.2，密度2551kg/m3；圍巖：彈性模量1.3e9Pa，泊松比0.38，凝聚力0.2e6Pa，內摩擦角21；錨桿：彈性模量200ePa，泊松比0.3，密度7840kg/m3 [4].

　　3.3 數值模擬分析 采用ANSYS軟件對長(cháng)錨桿支護軟弱圍巖隧道方案進(jìn)行模擬，取經(jīng)過(guò)隧道縱軸線(xiàn)的圍巖立面為研究對象，分別得到27根4米錨桿、26根6米錨桿、12根8米錨桿作用下的圍巖豎向位移分布云圖。

　　3.3.1 以ANSYS模擬開(kāi)挖和支護效果，選取合理的模擬計算參數十分重要，經(jīng)多次反復調試及驗證才能獲得有效的接近工程實(shí)際的模擬云圖。

　　3.3.2 位移控制效果分析。如圖2，27根3m錨桿控制最大變形量為18.947cm，26根6m錨桿控制最大變形量為14.009cm，12根8m錨桿控制最大變形量為14.7cm，且都發(fā)生在仰拱處，可見(jiàn)，優(yōu)化的錨桿設置控制變形最為有效。由錨桿軸力圖知，錨桿近端軸力大，遠端軸力小，而且拱頂軸力比兩側的大，且錨桿的軸力相對于隧道結構來(lái)說(shuō)是對稱(chēng)的。

　　3.3.3 圍巖穩定性分析。在長(cháng)錨桿的作用下，由于長(cháng)錨桿較強的錨固力作用，改善了圍巖的應力狀態(tài)，臨空面附近穩定性較弱的巖體與深部穩定性較好的巖體通過(guò)長(cháng)錨桿連接在一起，增強了巖體結構的整體作用，使得圍巖的整體性和承載能力得到了提高，圍巖的穩定性亦顯著(zhù)提高[5].

　　4 結論

　　4.1 對現場(chǎng)試驗進(jìn)行數值模擬計算，為軟巖大變形控制方法的研究提供了一定的依據。

　　4.2 大變形隧道錨桿與圍巖相互作用雖取決于圍巖的力學(xué)特性以及隧道所處地形情況，但長(cháng)錨桿對軟弱圍巖隧道的變形也具有一定的控制作用，長(cháng)錨桿能夠改變圍巖的力學(xué)特性，提高圍巖的自承能力，減少?lài)鷰r變形，保持隧道圍巖的穩定性。

　　4.3 針對具體地形以及隧道圍巖的力學(xué)性質(zhì)等因素優(yōu)化錨桿設置，對于軟弱圍巖隧道，長(cháng)錨桿的設置對圍巖的加固效果優(yōu)于普通錨桿設置。

　　參考文獻：

　　[1]孫鈞。巖土力學(xué)與地下工程結構分析的若干進(jìn)展[J].力學(xué)季刊，2005，26（3）：329-338.

　　[2]孫鈞。地下結構有限元法解析[M].上海：同濟大學(xué)出版社，1988.

　　[3]鄭穎人，趙尚毅，鄧楚鍵等。有限元極限分析法發(fā)展及其在巖土工程中的應用[J].中國工程科學(xué)，2006，8（12）：39-61.

　　[4]趙玲，李曉紅，顧義磊等。高應力區隧道圍巖變形破壞的數值模擬及物理模擬研究[J].巖土力學(xué)，2007，28（增）：393-397.

　　[5]谷栓成，姚國圣，劉娟等。錨桿在軟巖中作用機制的研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，24（4）：74-76.