软弱破碎围岩隧道锚喷钢架联合支护参数优化模型及工程应用研究

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1、公路隧道2015年第3期(总第91期)软弱破碎围岩隧道锚喷钢架联合支护参数优化模型及工程应用研究张卓文竞舟任志华(1．云南省交通运输厅工程质量监督局昆明650214；2．云南省公路科学技术研究院昆明650051)摘要初期支护以锚杆、喷层、钢筋网与钢拱架联合支护的方式在软弱围岩和不良地质隧道建设中已经得到广泛运用，但目前对于这种联合支护的力学承载机制和多支护参数的选择缺乏深人研究。根据围岩与支护相互作用特点，针对隧道围岩中锚喷网和钢架联合支护的特点，建立基于隧道滑移线理论的联合支护参数优化模型；并结合云南省打堡寨2#隧道，对联合支护

2、参数进行优化，通过有限元模型对联合支护的力学效应进行验证。该优化方法对今后类似的软弱破碎围岩隧道工程中锚喷钢架支护参数的合理选择具有一定的借鉴与指导意义。关键词隧道工程联合支护滑移线参数优化有限元支护形式不仅采用锚杆、喷射混凝土和钢筋网等常1引言规支护措施，还会根据岩体的软弱破碎程度采用格隧道所形成地下空间是通过开挖移除原有地层栅钢架或工字钢架等联合支护形式，这种联合支护中部分岩体而成。该部分岩体在移除前与整个地层形式在公路及城市交通隧道中已经得到广泛运用。为一整体，它一方面赋存于原始应力场中，本身受到从目前的研究结果而言，．大多

3、只建立在锚杆或某一原始平衡应力场的作用；另一方面，又对周边岩体起种支护结构与围岩相互作用的基础上，不但未考虑到支撑作用，相当于周边岩体的支护体。将其移除多种支护措施联合支护的承载机制，而且也忽略了形成空洞后，相当于撤除空间周边岩体的支撑使其围岩变形和支护结构承载能力的关系。特别是对于失去平衡，导致围岩中原始应力场自动调整和重分锚喷网和钢拱架的联合支护方式如何与围岩共同作布形成次生应力场。在次生应力场发展过程中，周用，即锚杆、喷射混凝土和钢拱架共同结合的支护理边岩体将向空洞方向变形，为了保护空洞的形状、断论在国内外也鲜见报道，对这种

4、联合支护结构的承面及安全使用，就需要构筑围岩的支护结构。因此，载特点缺乏深入了解，联合支护多参数的选取仅以隧道支护结构是为抵挡围岩中存在的次生应力而构工程类别法进行，缺乏定量分析的方法。筑的。在隧道工程中，关于反映支护结构的有效性，因此，本文针对软弱破碎围岩中“锚喷网+钢拱主要从以下3个方面进行表征：能明显改善隧道围架”联合支护形式，根据围岩与支护相互作用特点，岩周边环境的力学特征；能迅速提高围岩的自身承建立基于隧道围岩滑移线场理论的锚喷钢架联合支载能力；能有效抑制围岩的过大变形口]。要达到护参数的优化模型，研究多支护参数间的共同

5、作用上述效果，从本质上讲，应使支护与围岩形成相互协下受力机制与支护参数的选取及其优化模型，能够考调的复合承载共同体。对于隧道及地下工程的“围虑围岩与支护结构承载能力的关系，达到分析“锚喷岩一支护结构”共同体的相互作用问题，国内外众多网+钢拱架”联合支护原理和围岩承载强度的目的。学者都对其进行了深入讨论和分析，戴兰芳采用弹2隧道联合支护参数优化模型塑性理论分析了围岩与支护相互作用，并结合隧道工程实际探讨了如何合理地选用支护材料和支护结2．1联合支护力学机理构形式[1。侯公羽n根据围岩一支护的作用特隧道在掘进过程中部分岩体被开挖后，在

6、掘进点，建立基于流变变形的围岩一支护相互作用机制空间周围会形成一定程度松动破碎圈口，为保证围的概念模型。靳晓光等_】采用数值分析方法对深岩稳定，必须进行锚喷支护。其中，系统锚杆之间会埋隧道围岩一支护结构稳定性进行研究。刘保国和产生挤压作用，并在围岩内部形成组合压缩拱结构，杜学东[】。将释放荷载看作时间函数，用解析方法分这是在工程实践和实验成果中已经验证过的。这种析推演了圆形隧洞围岩与支护结构之间相互作用的围岩组合拱结构，围岩为介质，锚杆为主要构件，同时效规律。但是，由于隧道工程在软弱破碎围岩段时该结构可借助于喷射混凝土和钢筋网对破

7、碎围岩·]3·公路隧道2015年第3期(总第91期)进行一定程度的维护作用，使其不被挤出，并使围岩llB与锚杆之间产生切向作用力，以保持围岩压缩拱的完整性，显然喷层及钢筋网是围岩组合压缩拱必不可少的重要构件j。如果围岩的软弱破碎程度更为剧烈时，仅靠锚杆与喷层支护显然不能维持围岩的稳定性，必须采用某些辅助措施。例如，钢拱架或格栅钢架支护将更为有效地抑制围岩过大的变形，对原有的锚喷支护作用下的围岩组合拱具有强化作用，极大地提高围岩与支护体自身的承载能力，从而goffffgo与围岩体达到相互作用的力学状态。图2隧道围岩剪切滑移线场应力边

8、界条件从隧道围岩一支护本质上讲，虽然起主要作用结合隧道弹塑性滑移理论，可得到内层支护拱的是系统锚杆作用下的围岩压缩拱，但对于钢拱架所产生的支护阻力P，为与喷射混凝土的支护在工程的后期和保障施工安全P“一——(1)r0COSsin中将发挥重要作用，甚