软岩隧道锚喷支护失效的机理分析

软岩 隧道锚喷支护失效的机理分析

王健

中国一冶集团有限公司 湖北武汉 430081

摘要：软岩隧道中经常会由于支护体系失效进而引起大变形，更有甚者会出现支护失效，引起坍塌等地质灾害，这是由于当前隧道锚喷支护设计主要采取的方式依旧是经验占主导的工程类比法，所设计出的支护参数不能完全匹配对应的围岩地质条件。本文以化屯隧道为依托，从软岩隧道破坏特征出发，详细分析了软岩隧道锚喷支护失效的机理。

关键词：软岩隧道；支护体系；锚喷支护；支护参数；支护失效

1 引言

锚喷支护体系于上世纪中叶问世，随着后期新奥法的广泛推广应用，锚喷支护体系已经在世界范围内得到了广泛应用和推广，已成为隧道复合式衬砌结构的重要组成部分。由于锚喷网支护作用的不确定性、多重性以及受力系统的复杂性，对于锚喷支护结构的设计与计算，目前还没有一套合理的计算模型，主要的设计方法还是以经验为主的工程类比法。^［1—4］由于不同隧道地层岩性结构的复杂多样性，使得经验法设计的初期支护结构形式和参数很难与实际地质条件形成良好的匹配，由此导致支护围岩体的破坏失效，进而引发大范围的围岩失稳塌方，这在软弱围岩隧道中表现的尤为突出。

剪切滑移理论^［5］是由奥地利人Ｒabcewicz 提出来。本文以化屯隧道软弱围岩为例，运用剪切滑移理论分析隧道锚喷支护受力效应，并依此分析隧道围岩失稳支护失效的根源，从而为类似隧道的设计施工方案优化、围岩变形控制提供理论依据。

2隧址区地质条件概述

化屯隧道隧址区分布地层主要为第四系全新冲洪积层红黏土、崩坡积层块石土及泥盆系上统榴江组上段石灰岩。隧址区周边未见断层、褶皱等大的地质构造，隧址区总体属于单斜地层，岩层产状130°∠25°。主要发育两组裂隙：①160°∠75°，裂面微张，间距0.4-1.0m，延伸3-5m，偶有泥质充填；②245°∠70°，裂面微张，间距0.4-1.5m，延伸3-5m，偶有泥质充填。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)，本区地震动峰值加速度0.05g，地震动加速度反应谱特征值为0.35s，地震基本烈度为Ⅵ度，地震分组为第一组。隧道属岩溶峰丛洼地—谷地地貌区。

隧址区地表水不发育，主要为雨季时形成的地表面流，汇集和排泄大气降水，主要由高处向低洼地段汇集排泄，其自然排泄畅通。隧址区地下水可分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水两种类型。

隧道进洞口处斜坡坡角约为35-80°局部地形陡峭；出洞口段位斜坡坡角约25-70°。隧址区最高位于山顶，标高638.9m，最低标高点位于隧道出口外侧，标高242.20m，相对高差达396.70m。隧址区整体植被茂密，局部陡崖处可见较大面积的基岩裸露。

3软岩隧道破坏特征

软岩隧道初期支护――锚喷支护变形破坏都具有高围岩压力、滞后大变形的相似特点。破坏发生时，首先在洞室两侧中部出现轻微裂缝，裂缝宽度从2mm到5mm不等，随着掌子面的推进裂缝逐渐加宽，在初期支护破坏初期，随着变形的加大，裂缝逐渐延伸到了整个断面，进而发展为纵向裂缝。接着发生大规模的初支变形破坏，破坏由两侧的锚喷支护开始，侧墙向内鼓进，出现纵向张裂。在侧墙内挤张裂的同时，拱顶支护在拱顶部位被剪碎。由于顶部逐渐失去的支撑作用，顶部开始大规模的塌方破坏。最终导致隧道顶部大规模的塌方。其显著过程是当两侧锚喷支护失效，导致顶板发生垮落。

4剪切滑移破坏理论

新奥法创始人(Rabcewicz)经多次工程实践观察和模型试验发现，圆形断面的软岩巷道，将在两侧围岩中形成楔形的塑性区，楔形向围岩深处扩展，荷载逐渐增大，如果支护抗力不足，围岩两侧开始塌落，继而引起顶部大规模破坏。在这种条件下，剪切破坏是其最主要的破坏模式。剪切锥破坏形式如下图1所示。

图1 剪切锥破坏形式

根据Rabcewicz的剪切锥滑移理论，剪切破坏理论锚喷支护设计计算方法认为:锚喷支护作为半刚性(或称柔性)结构，与围岩黏贴紧密，共同工作，由喷射混凝土、钢筋网、系统锚杆等提供的承载力之和应不小于围岩特性曲线的最小支护抗力_。

5锚喷支护失效的原因

5.1托板或锚杆固结端失效

托板或锚杆固结端对锚杆作用的发挥有重要影响，托板是产生锚固力必不可少的构件，由于托板失去作用造成失锚的约占21%。托板或锚杆固结端通过挤压围岩表面提供托锚力，使围岩处于三向受力状态，明显改善隧道围岩受力环境，尤其是托锚力在锚杆施加预紧力后立即发挥作用，约束围岩变形。

托板或锚杆固结端失效有两种形式：1）杆体与托板脱离，锚杆被拉入岩体中；2）托板或锚杆固结端破裂。

5.2杆体钢筋拉断

杆体是锚杆的主体，其材质及表面结构直接影响锚固范围内对围岩的支护阻力。杆体钢筋被拉断或螺纹端螺纹被拉断，这种现象约占5%。主要原因是杆体因受力过大，超出其极限抗拉强度而被拉断;或是杆体受剪力过大被剪断；或是杆体材料和加工工艺没有达到要求，致使丝扣易产生应力集中而破坏。依照杆体屈服强度σs将锚杆分3类：σs<340 mpa为普通锚杆；340 MPa≤σs<600 mpa为高强度锚杆；σs≥600 MPa为超高强度锚杆。可采用高材质的超高强度锚杆从整体上增强锚杆的强度以防止杆体钢筋拉断。杆体钢筋拉断常出现在杆体尾部丝扣段，该处易产生应力集中，是杆体的薄弱环节，可通过对锚尾螺纹部分强化热处理以增强其强度。另外，在松软、破碎、膨胀性围岩和采动压力影响条件下，使用可延伸锚杆以便围岩有一个卸压过程，防止杆体钢筋被拉断。

5.3粘结破坏

粘结剂将围岩与锚杆粘结成整体，由于围岩深部与浅部变形的差异，锚杆便通过粘结剂对围岩施加粘结力来抑制围岩变形，这种力对稳定围岩起着重要作用，称为粘锚力。由作用力与反作用力关系可知，粘锚力就是锚杆体内的轴力，树脂锚杆通过杆体与围岩之间粘锚力对围岩施加锚固力来抑制围岩变形。而粘结破坏就是锚杆与粘结材料之间发生相对滑动，并使粘锚力遭到破坏。在软岩地层，粘结破坏是最常见的锚杆失效破坏。

锚杆支护实际工作中常用拉拔试验来确定粘锚能力，假设丝扣的抗挤压力、托板的承压力都足够时，锚杆的抗拔力主要取决于粘结剂的粘结力。杆体与钻孔之间的间隙宽为定值，则粘结剪应力同杆体与钻孔壁之间的相对位移成正比。如图2。

图2 拉拔时锚杆受力情况

粘结破坏的情况：1)锚杆-粘结剂接触面破坏；2)围岩-粘结剂接触面破坏；3)破坏面深入到围岩体内几毫米，常发生在软弱围岩。一般软岩的抗剪强度<7 mpa，粘结剂与围岩的粘结强度为5～16 Mpa，粘结剂与杆体粘结强度为6.73～16.7 MPa。软岩强度低、空隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著且易受开挖影响，在软岩中打锚杆应掌握最佳支护时间，最佳支护时间即是最大限度地发挥塑性区承载能力而又不出现松动破坏的时刻。还应及时在通常发生应力集中处和围岩岩体强度薄弱位置等关键位置及时进行支护，从而提高围岩的可锚性，实现可靠锚固，防止破坏面深入到围岩体。

在化屯隧道的软岩，当围岩级别在V级时，锚杆的失效多数是因粘结破坏，其中主要是软岩强度过低且过于破碎，难以形成高质量的粘结层。以致在围岩变更时，采用了减少锚杆数量、提高型钢拱架强度的办法来控制初支变形。这种锚杆失效现象在全国也广泛存在，以致不少专家学者呼吁设计施工中应减少对锚杆作用的依赖，王梦恕院士甚至提出在V级围岩中取消锚杆的建议。这类问题还有待进一步研究。

5.4锚空失效

大量工程实践表明，由于局部围岩破坏造成的锚空失效是锚杆失效的主要形式。锚杆或锚喷支护隧道，由于围岩荷载和围岩中弱面的不均匀性，常发生局部破坏，致使锚杆切向锚固力迅速丧失，径向锚固力也大幅降低，从而引起更大范围的破坏。在锚网或锚梁网支护的隧道中，局部破坏被护表构件所抑制，锚空失效会得到有效控制。

6结论

综上所述，对于一般性软岩隧道，在围岩产生大变形后，使得锚喷的支护失效的原因在于多种因素，而重点是在于地质构造（残余地应力）、岩性因素、施工因素的影响以及锚喷支护结构作用受到弱化、包括钢拱架在内的整体支护结构刚度不足所造成。

参考文献

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