高地应力软岩隧洞锚杆预应力参数优化设计研究

李芳存

（朝阳县凌河保护区管理局，辽宁 朝阳 122629）

水利工程规模不断扩大的同时也不断向地质环境复杂地区挺近，这给工程设计和建设提出更高的要求。例如，我国的水利工程隧洞建设过程中，处于高地应力地质环境的工程项目占比不断增加。特别是高地应力软岩隧洞工程，往往存在较大的围岩变形、支护变形、破损以及间隙入侵等现象，如果施工设计和处理不当，就会给施工作业造成无尽的麻烦[1]。因此，高地应力地质环境就成为水利工程中地下洞室工程建设中需要面对和解决的问题。另一方面，随着支护技术的不断发展和进步，支护理念也在不断转变和创新，并主要表现为传统的被动支护方式逐步转变为主动支护方式。在主动支护方式中，锚杆支护是最常见的方式，并在浅埋隧洞支护领域有着成熟的理论和应用经验，但是目前的锚杆设计并不适合大埋深高地应力软岩地质环境，不满足上述隧洞的支护要求，因此需要在该领域进行进一步的研究和探索。从当前的工程研究来看，主要集中于锚杆的长度、直径、排距和间距等参数的优化，对锚杆预应力参数的重视不足。显然，锚杆预应力作为锚杆支护的重要参数，会对支护效果产生直接影响，是工程设计中必须要关注的重要参数。

此次研究以辽宁清河水库第二泄洪洞开挖支护工程为例，利用数值模拟的方式探讨锚杆预应力对支护效果的影响，以便为相关研究和工程设计提供有益的支持和借鉴。

清河水库位于辽宁省重要河流清河的干流上，是一座具有多种功能的综合性大型水利枢纽工程，水库的建成对提高当地的防洪水平，保证水资源的合理利用具有重要作用[2]。清河流域在2005年8月发生了较大洪水，虽然水库经受住了洪水的考验，但是其泄洪能力不足的问题也凸显出来。为了提高水库的泄洪能力，拟将清河电厂废弃的回水隧洞改造为第二泄洪洞[3]。根据工程设计其全长约1 800m，其洞身段为5 m×5.5m的城门洞型断面结构设计。第二泄洪洞的防洪设防标准为百年一遇计，按照千年一遇洪水标准校核。其中，百年一遇洪水水位为111.46m，对应泄流量为237m3/s，千年一遇洪水水位为112.76m，对应泄流量为371m3/s。项目区地质环境较为复杂，褶皱活动相对比较强烈，断层裂隙发育，大部分洞段为高地应力软岩洞段，给开挖施工和初支设计提出了较高的要求。结合工程实际，在泄洪洞开挖过程中采用锚杆-锚索联合支护模式，在围岩整体性较差的部位施加钢拱架和锚喷。

2.1 研究思路和内容

研究思路此次采用FLAC3D对实际案例进行模拟，分析锚杆预应力对高地应力软岩隧洞开挖支护效果的影响，以便为背景工程的施工设计提供支持，同时也为相关类似研究提供借鉴，基于此，以实际工程案例为背景，运用FLAC3D软件进行数值模拟，围岩位移、围岩应力、围岩塑性区为参考因素。鉴于高地应力软岩输水隧洞开挖施工过程中拱顶和拱肩部位对锚杆设计参数的影响反映较为显著[4]，因此研究中主要针对拱顶和拱肩部位的位移和应力进行模拟计算分析。根据计算结果探讨锚杆预应力对高地应力软岩隧道支护效果的影响，并对预应力设计优化，得到适用于工程实际的合理参数，达到为实际工程案例参考的目的。

2.2 数值模型的构建

FLAC软件是美国ITASCA公司开发的大型通用有限元仿真计算软件[5]，FLAC3D有限元软件时FLAC2D软件的拓展和升级。由于该软件采用了显式拉格朗日算法以及混合-离散分区技术，因此在对三维材料进行受力分析时并不需要构建刚度矩阵，具有显著的灵活性和便捷性[6]。因此，在数值模拟计算中选择FIAC3D软件进行输水隧洞的计算模型构建。

结合清河水库第二输水隧洞的实际情况，特别是IV级围岩洞段的工程地质特点和支护要求，选择SD2+143断面进行计算模型的构建。根据前期的工程设计，该断面埋深为96m。由于埋深较大，因此具有较高的地应力水平。结合相关研究成果，在地下洞室工程开挖施工过程中，开挖施工对围岩的影响向四周逐渐递减，在5倍洞径之外的范围可以忽略不计[7]。结合计算精度和工程实际，以开挖洞径的5倍确定模型的具体计算范围。

研究中以泄洪洞断面的中心点为坐标原点，以隧洞中线为Y轴，以指向下游的方向为正方向；
以垂直于Y轴的方向为X轴，以指向右侧的方向为正方向；
以竖直向上的方向为Z轴的正方向。利用摩尔-库伦本构模型模拟泄洪洞的围岩弹塑性变形，利用弹性本构模型模拟锚杆单元[8]。在模型的网格剖分过程中，选择6面体8节点平面应变单元，并对模型的局部进行加密处理，最终获得12 514个网格单元，13 680个计算节点。模型的网格划分示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

2.3 约束条件与计算参数

在模型计算过程中，选择位移和应力作为边界条件，对模型的底部施加竖向位移约束，对模型的两侧施加水平位移约束，上部为自由边界条件[9]。由于研究洞段为深埋高地应力洞段，围压自重的影响不可忽视。因此，研究中结合具体的围岩参数和地质环境特点，在模型的上边界施加0.85 MPa的法向荷载施，用于模拟上部围岩自重，以便使模型尽量准确反映工程实际。模型材料的物理力学参数也是影响计算结果科学性和准确性的重要因素。研究中以地质调查数据为依据，结合相关的工程经验[10]，确定围岩和支护结构材料的物理力学参数，结果如表1所示。

表1 模型材料物理力学参数

2.4 计算

根据工程项目部提出的初步工程设计，锚杆采用的左旋无纵筋等强锚杆，锚杆的直径为22mm，长度为4.5m，其横向间距为1.2m，纵向间距为1.5m。在支护过程中首先进行喷射混凝施工，其厚度为25cm，标号为C25号。在支护结构有一定强度之后，再进行衬砌施工，衬砌结构为厚度50cm的C30混凝土。研究中保持锚杆的其余参数不变，对 锚 杆 分 别 施 加0kN、50kN、100kN、150kN和200kN等5种不同大小的预应力。利用构建的有限元模型对不同方案下的围岩位移、应力、塑性区以及锚杆轴力进行计算分析，并对计算结果进行分析。

3.1 围岩位移

在位移计算结果中提取出拱顶和拱肩为位移值，结果如表2所示。由计算结果可知，泄洪洞拱顶和拱肩的各向位移均随着锚杆预应力的增加而减小。这说明，增加锚杆的预应力值有助于控制泄洪洞围岩位移变形。另一方面，拱顶的竖向位移和拱肩的水平位移变化较为明显，其余各向位移的变化量并不大。同时，拱顶的竖向位移和拱肩的水平位移减小幅度来看，当锚杆的预应力从0kN增加到50kN以及从50kN增加到100kN时的减小幅度较大，再增加锚杆的预应力，位移量的减小幅度较为有限。

表2 泄洪洞围岩位移计算结果

3.2 应力

根据应力计算结果，绘制出拱顶和拱肩的应力变化曲线，结果如图2和图3所示。由计算结果可知，随着锚杆预应力的增大，拱顶和拱肩部位的最大主应力和最小主应力均呈现出增大的变化特点，但是当锚杆的预应力大于100kN时增加的幅度极为有限。以拱顶围岩最大主应力来看，当锚杆预应力从0kN增加到100kN时，其最大主应力由10.87MPa增加到15.45MPa，增加约42.13%；
当锚杆预应力从100kN增加到200kN时，其最大主应力由15.45MPa增加到16.12MPa，增加约4.34%；
当由此可见，锚杆预应力的变化对围岩应力存在明显的影响，在一定范围内，设置较大的锚杆预应力对围岩深部应力有利。

图2 拱顶应力变化曲线

图3 拱肩应力变化曲线

3.3 塑性区以及锚杆轴力

地下洞室工程开挖施工中围岩由于受到开挖卸荷的影响，会在其表层一定深度范围内形成塑性区，并对工程的顺利进行产生一定程度的影响[11]。因此，塑性区的范围也是评价开挖支护效果的重要指标。对塑性区计算结果进行统计，绘制出如图4所示的塑性区面积分布柱状图。由图可知，围岩的塑性区面积会随着锚杆预应力的增大而减小，之后逐渐趋于稳定，当锚杆预应力小于100MPa时，减小的幅度较大，当锚杆预应力大于100MPa时，减小的幅度十分有限。由此可见，增加锚杆预应力，有助于提高地下洞室工程围岩的力学性能，提高围岩的承载力，但是随着锚杆预应力的增加，其作用效果逐渐减小。

图4 塑性区面积计算结果

此次研究以辽宁省清河水库第二泄洪洞开挖支护施工为背景，利用数值模拟的方法探讨了锚杆预应力对高地应力软岩泄洪洞围岩应力和稳定性的影响，获得的主要结论如下：

1）拱顶和拱肩的各向位移均随着锚杆预应力的增加而减小，当锚杆预应力大于100MPa时控制围岩变形的作用极为有限。

2）锚杆预应力的变化对围岩应力存在明显的影响，设置较大的锚杆预应力对围岩深部应力有利，但是锚杆预应力大于100MPa时的影响作用较为有限。

3）增加锚杆预应力，有助于提高地下洞室工程围岩的力学性能，提高围岩的承载力，但是锚杆预应力大于100MPa时，其作用效果逐渐减小。

4）综合研究成果，建议在背景工程施工中选择100MPa的锚杆预应力值。