锚杆在大变形破碎岩体隧道中支护效果数值模拟王道远.docx
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锚杆在大变形破碎岩体隧道中支护效果数值模拟王道远
锚杆在大变形破碎岩体隧道中支护效果数值模拟_王道远
第7卷第4期2010年12月
河北交通职业技术学院学报
JournalofHebeiJiaotongVocationalandTechnicalCollegeVol（7No（4Dec（2010
文章编号:
JL01,0235（2010）04,0046,04
锚杆在大变形破碎岩体隧道中支护效果数值模拟
王道远1袁金秀1周
摘
要
明2
610041）
（1.河北交通职业技术学院土木工程系石家庄050091;2.四川省交通厅公路规划勘察设计研究院成都
以FLAC3D有限元为主要工具，对锚杆在大变形破碎岩体中的支护作用进行了研究分
析。
指出锚杆在大变形破碎岩体中的支护作用明显，它能够控制隧道在开挖后的变形。
锚杆的长度和间距对支护效果有影响，设计时应进行综合考虑，选择最优化设计。
关键词大变形破碎岩体中图分类号U455.71
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锚杆
支护效果数值模拟
A
文献标识码
NumericalSimulationofSupportingEffectofRockBoltinLargeDeformationBrokenRock
WangDaoyuan1
YuanJinxiu1
ZhouMing2
（1.DepartmentofCivilEngineering，
HebeiJiaotongVocationalandTechnicalCollege，Shijiazhuang050091;
2.SichuanHighwayPlanning，SurveyandDesignInstitute，
Chengdu610041）
Abstract:
BasedonthenumericalsimulationcalculationofFLAC3D，
thesupportfunctionofboltinbrokenrockwithlargedeformationisanalyzed.Itispointedoutthatthebolthasgoodsupporteffectinbrokenrockwithlargedeformation，
andcancontroltunneldeformationafterexcavation.Thelengthandspacedistanceoftheboltcaninfluenceitssupporteffect，
soitisnecessarytoconsiderallfactorsduringdesigntogetthebestdesign.
Keywords:
largedeformationbrokenrock;rockbolt;supporteffect;
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numericalsimulation
对锚杆支护技术及理论的研究仍处于发展阶段，特别是在大变形破碎岩体中其作用机理还需要作进一步的研究分析。
0引言
大变形破碎岩体一般是指埋深较大的断层破碎
带，其岩体极度破碎，地应力较高，当隧道开挖后，由于破碎岩体的自稳能力较差，破碎松散岩体能量释放快，易于塌落失稳、松动位移，压力也比较大，这些都易导致隧道发生挤压性大变形。
隧道发生大变形的基本条件有两个方面:
一是较高的围岩地应力;二是较差的围岩性质，具体表现为软弱围岩、节理裂隙发育、围岩破碎、围岩具有膨胀性。
锚杆作为地下工程主要支护形式之一，对隧道稳定起着重要作用，特别是在节理、裂隙发育的破碎岩体中，其对岩体的加固作用明显。
然而，目前
收稿日期:
2010-07-01
1
1.1
有限元计算
模型的建立
选取某隧道典型断面（断面形式为马蹄形断
面），拟定拱高为1124cm、上半圆半径为639cm的三心圆曲边墙结构，其净空面积（含仰拱）约为126.4m2，周长（含仰拱）约为40.9m。
由于隧道处于半无限地层中，根据力学原理分析边界效应对———————————————————————————————————————————————
隧道的影响，确定计算范围选取为:
下部取至隧道仰拱以下45m，左右各取60m，取拱顶以上55m。
隧
作者简介:
王道远，男，1982,，硕士，讲师。
主要从事隧道与地下工程教学与研究工作。
第3期王道远等:
锚杆在大变形破碎岩体隧道中支护效果数值模拟
47
道前后左右边界施加法向水平约束，顶部采用垂直地应力加载面，底部施加法向垂直约束。
计算采用8节点6面体实体单元模拟围岩，网格划分如图1，共有节点102419个，单元97920个。
全长粘结式锚杆采用锚索（Cable）单元模拟，具体布置情况详（以6m长锚杆，间距1m为例）。
计算见图2所示
模型采用Mohr-Coulomb屈服准则。
2锚杆加固效果分析
为了更好地反映锚杆在大变形破碎岩体中的支护作用，文中数值模拟分析不考虑初期支护、二次衬砌等的支护作用。
2.1
有、无支护锚杆对比分析
通过数值模拟方法比较在隧道开挖后施作锚杆支护与不施作锚杆支护的条件下，隧道的拱顶下沉、水平收敛及塑性区的影响范围大小，从而得出锚杆在大变形破碎岩体中的支护作用。
锚杆支护设计长度为4m，环向间距为1m。
通过隧道开挖的数值模拟，得出隧道周边位移变化情况，分别得———————————————————————————————————————————————
到了隧道在开挖后有锚杆支护和无锚杆支护隧道的相对拱顶下沉随时间变化曲线图），以及在有锚杆和无锚杆支护条件下隧道的（图3
起拱线位置水平收敛随时间变化曲线图（图4）。
图1有限元网格划分图
拱顶下沉（mm）
4003503002502001501005000
4000
8000
12000
16000
施工步数
无锚杆有锚杆
图2锚杆布置图
9008007006005004003002001000
图3
无锚杆有锚杆
拱顶下沉曲线图
1.2计算参数的选取
心初始水平地应力为5.032MPa，垂直地应力为7.548MPa，侧压力系数为λ=0.67。
数值模拟时对超前小导管注浆范围采用加固圈方法即对小导管超前支护所处位置围岩的力学参数提高的办法来处理，具体参数详见表1。
锚杆计算参数根据室内试验确定，结果详见表2。
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表1围岩物理力学参数
材料?
级围岩小导管加固圈
E（GPa）泊松比μγ（kN/m3）c（MPa）1.01.4
0.40.35
18.5022.00
0.150.375
φ（?
）3746
水平收敛（mm）
大变形破碎岩体中隧道埋深取400m，隧道中
04000800012000
16000
施工步数
图4水平收敛曲线图
隧道开挖后无锚杆支护与有锚杆支护隧道的塑性区分布图详见图5、图6。
将有锚杆支护与无锚杆支护具体对比情况绘制于表3。
由图及表可知，锚杆对隧道开挖的支护作用是显著的，施加锚杆支护后隧道拱顶下沉减少了35mm，减少比例为9.8%，水平收敛减少值为227
表2
横截
弹模E
———————————————————————————————————————————————
面积
（GPa）
（m2）210
5e-4
锚杆力学参数表
抗拉水泥浆水泥浆水泥浆
强度粘聚力摩擦角刚度（kN）（kN/m）（?
）（MPa）134
320
23.5
17.5
砂浆外
圈周长（m）0.125
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河北交通职业技术学院学报2010年
不同锚杆长度及间距的拱顶下沉、水平收敛及塑性区面积对比图，详见图7~图9。
图5无锚杆支护隧道塑性区分布图
图6表3
支护条件无锚杆支护有锚杆支护减少量减少比例
有锚杆支护隧道塑性区分布图有、无锚杆支护作用对比分析表
拱顶下沉（mm）水平收敛（mm）塑性区面积（m2）
357322359.8%
———————————————————————————————————————————————
84361622726.9%
606454152
25.1%
mm，减少比例为26.9%，塑性区面积减少152m2，减少比例为25.1%。
由此说明，锚杆支护对控制隧道变形作用是显著的，特别是控制水平方向位移以及塑性区的影响范围，隧道变形越大的位置，锚杆的作用越明显。
2.2锚杆长度与间距的对比分析
通过不同长度和间距锚杆的数值模拟，进行隧道开挖后的拱顶下沉、水平收敛以及塑性区面积的对比分析，确定隧道开挖中锚杆支护的长度与间距，从而使锚杆充分发挥其支护作用。
本次数值模拟计算选择锚杆长度分别为2m、4m、6m、8m、10m、12m，分别计算不同长度条件下锚杆在间距60cm、80cm、100cm、120cm、150cm的位移变形情况，通过对比分析选择最优的锚杆设计长度与间距。
由图可知，随着锚杆长度的增大，隧道的拱顶下沉、水平收敛以及塑性区面积均逐渐减小，当锚杆长度达到6m时，变形的影响基本趋于平稳，即锚杆再继续增长对隧道变形的控制作用影响不大，即说明隧道开挖后塑性区影响半径为6m左右;而对于相同长度的锚杆，随着锚杆的布置间距的增大，锚杆对隧道的拱顶下沉、水平收敛及塑性区面积的影响逐渐减小，即锚杆布置的环向间距越小，锚杆对隧道变形的控制作用越大。
当采用锚杆长度6m，环向间距60cm时，锚杆对隧道变形控制———————————————————————————————————————————————
作用最为显著，拱顶下沉值为289mm，与无锚杆支护比较拱顶下沉减少了68mm，
第3期王道远等:
锚杆在大变形破碎岩体隧道中支护效果数值模拟
形而出现大面积的坍塌。
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减少比例为19.0%;水平收敛值为467mm，与无锚杆支护比较减少了376mm，减少比例为44.6%;而塑性区面积为394m2，与无锚杆支护比较减少了212m2，减少比例为35.0%。
其锚杆轴力与隧道开挖塑性区范围详见图10。
由图可知，锚杆长度与隧道开挖塑性区基本一致，当锚杆长度超出塑性区时锚杆能够充分发挥作用，长度不够时锚杆不能充分发挥其限制围岩变形的作用。
（2）在大变形破碎岩体中隧道开挖后随着锚杆长度的增加，其对围岩的变形控制作用逐渐增大，当长度超过塑性区范围后锚杆对围岩的变形控制作用不再明显增加，基本不再发挥作用;随着锚杆间距的增加，锚杆对围岩的变形控制作用逐渐减小。
因此，在大变形破碎岩体中隧道锚杆支护设计长度应与塑性区范围一致，并非锚杆越长越好，无须一味强调长锚杆，锚杆长度过长并不能够继续发挥其支护作用，反而是一种浪费;对于锚杆设计间距则是间距越小越好，但是在实际设计中应该结合实际施工条件及成本考虑，综合考虑确定锚杆的设计间距，进行最优化选择设计。
参考文献
1,朱汉华等.隧道预支护原理与施工技术,M,.人民交通出版———————————————————————————————————————————————
社，
2008
2,刘特洪，林天键.软岩工程设计理论与施工实践,M,.中国建筑
2001工业出版社，
图10隧道锚杆轴力与塑性区分布图
3,张选利，王永岩，王威强.柔性注压锚杆结构优化有限元分析
J,.西安科技大学学报，2009，29（6）
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中的应用,J,.西安科技大学学报，2009，29（4）
5,王明恕等.全长锚固锚杆的力学模型及其应用,J,.金属矿山，
1983，（4）
6,孙学毅.高应力地区和软弱围岩地下工程砂浆锚杆,J,.煤炭学
报，1984，
（2）
3结语
（1）在大变形破碎岩体中锚杆的支护作用是明
显的，它能够有效控制隧道在开挖后的变形，特别是对于水平方向位移的约束作用明显，同时还能够有效抑制塑性区的不断发展，防———————————————————————————————————————————————
止隧道产生过大变
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