浅埋大跨度隧道预应力锚杆锚固参数及支护设计研究_殷小亮.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-10-16基金项目 国家自然科学基金项目(编号:52074298)。作者简介 殷小亮(1981),男,项目经理,高级工程师。浅埋大跨度隧道预应力锚杆锚固参数及支护设计研究殷小亮1 张艳博2 钟 科1 边文辉3,4 杨贵均1 王科学3,4 姚旭龙2(1.中铁二局第二工程有限公司,四川 成都 610000;2.华北理工大学矿业工程学院,河北 唐山 063210;3.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083;4.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083)摘 要 为明确浅埋大跨度隧道预应力锚杆的锚固参数及支护方案,为主动支护设计提供依据,以青岛地铁 6 号线华山一路站为例,采用理论分析、数值模拟、现场试验的研究手段,探究不同支护参数下的隧道施工力学特征。研究结果表明:主动支护通过补偿径向应力 3,降低切向应力 1,改善了围岩的应力状态,锚杆与围岩形成共同承载体,提高了围岩的弹性模量、黏聚力、内摩擦角等力学性能;锚固段长度越大,剪应力的分布范围呈增大趋势,随着张拉载荷的增加,剪应力峰值由锚固段端部逐渐向尾部转移,锚固长度为锚杆长度的 40%50%时锚固体的安全储备高;锚杆的预应力在 0120 kN 增加过程中,围岩的变形量与变形范围呈下降的趋势,拱部塑性区逐渐消失,拱脚与边墙的塑性区分布范围不断降低;随着锚杆的支护密度的提升,围岩的变形与应力均得到了一定程度的控制,但提升效果不显著;从现场监测结果来看,主动支护结构稳定且安全储备高,其中围岩变形量在 5.7 mm 以内,格栅钢筋应力最高值为 48.2 MPa,锚杆轴力由张拉至隧道开挖完成变化率仅为 3.5%。关键词 隧道工程 预应力锚杆 锚固参数 支护设计 围岩变形 中图分类号U45 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-058-09DOI 10.19614/ki.jsks.202302009Research on Anchorage Parameters and Support Design of Prestressed Anchors in Shallow Buried Large Span TunnelsYIN Xiaoliang1 ZHANG Yanbo2 ZHONG Ke1 BIAN Wenhui3,4 YANG Guijun1WANG Kexue3,4 YAO Xulong2(1.China Railway Second Bureau Second Engineering Co.,Ltd.,Chengdu 610000,China;2.School of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063210,China;3.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,Beijing 100083,China;4.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China)Abstract In order to clarify the anchorage parameters and support scheme of pre-stressed anchors in shallow buried large span tunnels and provide a basis for active support design,the mechanical characteristics of tunnel construction under dif-ferent support parameters are investigated by using theoretical analysis,numerical simulation and field tests,taking Huashan First Road Station of Qingdao Metro Line 6 as an example.The results show that:Active support improves the stress state of the surrounding rock by compensating the radial stress and reducing the tangential stress,and the anchor rod and the surround-ing rock form a common carrier together,which improves the mechanical properties of the surrounding rock such as elastic mod-ulus,cohesion and internal friction angle.The greater the length of anchorage section,the greater the distribution range of shear stress,with the increase of tensioning load,the peak shear stress is gradually transferred from the end of the anchorage section to the end,and the safety reserve of anchor solid is high when the anchorage length is 40%50%of the anchor rod length.In the process of increasing the prestress of anchor rod from 0 to 120 kN,the deformation volume and deformation range of surrounding rock showed a decreasing trend,the plastic zone of arch gradually disappeared,and the distribution range of plastic zone of arch foot and side wall kept decreasing;as the support density of anchor rod increased,the deformation and stress of surrounding rock were controlled to some extent,but the enhancement effect was not significant.From the field mo-nitoring results,the active support structure is stable and has high safety reserve,in which the deformation of the surrounding rock is within 5.7 mm,the highest value of grating reinforcement stress is 48.2 MPa,and the change rate of anchor shaft force 85from tensioning to tunnel excavation completion is only 3.5%.Keywords tunneling engineening,prestressing anchor,anchorage parameters,support design,surrounding rock deforma-tion 随着我国地下空间的大力开发,城市地铁车站逐渐向着大跨度、大断面的方向发展,暗挖法施工具有结构灵活,对交通、管线、建筑影响低的优点,在北京、天津、重庆、青岛等地广泛应用。然而,在浅埋、大跨度条件的影响下,工程中往往面临着地质条件差、沉降量控制严格的难题,给城市建设带来了巨大挑战。为保障大跨度隧道的安全高效施工,诸多学者围绕施工、支护方案展开研究,取得了良好的应用效果。谭忠盛等1研究大断面开挖方法时采取超长小导管、预留核心土的方式,使得拱部围岩压力降低 55%,并为掌子面前面的滑动区提供了支撑力,实现了围岩的控制;杨云等2针对隧道穿过卵石土层,采用了双侧壁导坑法、拱部管棚的支护体系,通过降低隧道的跨度保障了施工的安全性;李讯等3建立数值模型,基于双侧壁导坑法设计了 3 类开挖工法,对比了管棚间距、管棚直径、拆除横撑后的围岩变形特征,成功指导了现场的支护设计;罗彦斌等4在大跨度隧道中采用 CD 法,研究了先行、后行导洞在开挖支护拆撑过程中的结构承载模式,发现钢支撑轴力以受压为主,应力集中部位为拱脚处;林从谋等5研究了 CD法在大跨度隧道扩建过程中的围岩力学演化特征,发现对拱部围岩的控制是减小最终沉降量的关键;陈洁金等6开展了三台阶七步法、三台阶临时仰拱法数值分析的对比研究,证明分部开挖步数少的方案对地层的扰动低,临时仰拱的支撑作用使围岩塑性区得到有效控制。在隧道中面临高地应力、软岩大变形等难题时,诸多学者设计锚喷支护体系,通过预应力锚杆调动围岩的自承能力,以提高围岩稳定性。田四明等7分析了预应力锚杆作用下的围岩支护的相互作用机制,提出了以超前注浆预应力锚杆高强混凝土为核心的支护体系,并在工程中进行了效果分析;陶志刚等8基于 NPR 恒阻大变形预应力锚索,对比了六类支护方案在软岩大变形隧道中的数值模拟及现场应用效果,提出了长短锚索相结合的支护体系;汪波等9在软岩隧道中提出了及时主动支护的支护理念,证明主动支护比被动支护位移量降低了 60%,塑性区减小了 80%;屈彪等10对比了预应力锚杆与注浆锚杆在复杂应力状态下的影响效果,阐述了主动支护的优越性;秦忠诚等11通过理论计算与数值模拟手段,证明主动支护对围岩变形与塑性区的范围具有一定的控制作用。目前,在浅埋大跨度隧道的支护设计中,通过设置临时支撑的方式降低隧道跨度,注浆锚杆改善围岩的性质达到控制变形的目的。以预应力锚杆为核心的主动支护体系对围岩的变形控制具有显著优势,但常应用于深埋巷道中,对于变形量要求严格的浅埋大跨度隧道的适用性、支护设计体系尚未形成统一的认识。因此,以青岛地铁 6 号线华山一路站为研究对象,针对锚杆的预应力、长度、间排距进行了数值分析,探究围岩的变形控制效果,并开展试验确定锚杆的合理锚固参数,最终对工程现场的应用效果进行验证,以期为浅埋大跨度隧道的应用提供技术参考。1 支护作用下围岩加强作用机理锚杆的预应力作用于锚头端与自由段,实现了预应力由隧道表面的浅部围岩向围岩深处的传递,如图1 所示,锚头与锚固段尾部分别通过预应力对围岩进行压缩,形成局部锥形压缩区域,应力沿锚杆自由段进行传递,在一定支护密度下形成了连续的组合承载拱,此时锚杆与围岩形成共同承载体系,裂隙经压密后提高了围岩的整体性,围岩的弹性模量、内摩擦角、黏聚力等力学参数得到相应的提升。图 1 承载拱效应图Fig.1 Load-bearing arch effect diagram锚杆作用下承载拱的厚度 为=b-0.5r0+brs1-0.5s1,(1)式中,b 为锚杆自由段长度;r0为隧道的曲率半径;r