凌影1

（1.广州市水务规划勘测设计研究院，广东 广州 510640）

摘要：本文利用锚杆支护弹塑性理论，借助有限差分程序FLAC3D中的锚杆单元和衬砌单元，分析支护在围岩稳定性分析中的作用。结果表明，喷锚支护加固对围岩的变形有很明显的抑制作用，支护效果明显；并有效抑制了洞室围岩塑性区的发展，对提高围岩的稳定性起到很大作用。

关键词：FLAC3D；锚杆单元；衬砌单元；开挖支护；围岩稳定分析

0 前言

喷锚支护为喷混凝土、锚杆、钢筋网组成的喷锚联合以及喷锚网联合之总称。它既可用于加固局部岩体的稳定而作为临时支护，也可作为永久性支护。实践已证明，喷锚支护在技术上是先进的，质量上是可靠的，经济上是合理的，而且在抢险和病害治理上行之有效。因此，喷锚支护是“多快好省”建设地下工程的重要措施之一[1]。

1 FLAC3D中的锚杆单元

锚杆是锚喷支护的一个重要组成部分，在喷锚联合支护中起着主要作用，有时为了简化工序、节省材料，也常常单独用锚杆来支护[3]。

在FLAC3D中锚杆单元由几何特性、材料属性和水泥浆属性建立，在轴向力的产生过程中，轴向位移在每个节点上也随之发生。不平衡力通过每个节点的轴力来计算，剪力通过锚杆和水泥浆的相对位移来计算。轴向位移通过累加每个节点位移计算产生。

2 FLAC3D中的衬砌单元

衬砌的主要作用是增强岩体稳定、承受荷载、阻止落石、防止岩石风化和防止渗漏水[4]。

钢筋喷混凝土是一种既有一定支撑力，又有良好柔性的支护结构。它能及时地与围岩粘结，迅速提高围岩的表面抵抗力，阻止围岩松动开裂。在FLAC3D程序中提供了LINER单元，可以模拟钢筋喷混凝土。

3 应用实例

本文以某工程为例，在使用有限差分法计算软件FLAC3D进行围岩稳定分析的背景下，根据需要对洞室周围进行喷锚支护,输入混凝土衬砌和锚杆的各计算参数，分析喷锚支护对围岩稳定分析结果的影响。

3.1 一次性开挖完全支护与无支护工况的比较

对模型进行一次性开挖完全支护情况下围岩稳定分析，通过与一次性开挖无支护工况比较，说明对锚杆与混凝土衬砌对围岩稳定的影响。无支护与完全支护计算结果见表1，无支护与完全支护工况典型断面塑性破坏区分布情况见图1。

表1 一次性开挖无支护与完全支护计算结果比较

主副厂房顶拱 主副厂房上游边墙 主副厂房下游边墙

最大位移(cm) 无支护 3.63 3.04 4.64

完全支护 2.38 1.13 1.35

最大主应力(MPa) 无支护 -12.72 -18.82 -21.95

完全支护 -10.83 -16.45 -17.68

最小主应力(MPa) 无支护 -0.24 1.59 2.83

完全支护 -2.55 -1.51 -0.74

注：表中应力，“＋”表示拉应力，“－”表示压应力。

 

图1 一次性开挖无支护与完全支护情况典型断面塑性破坏区分布

通过上述计算成果比较表明：

1、位移场，对比无支护工况的计算结果，两种工况的位移场规律基本一致，只是在量值上有所差别，例如：完全支护工况的主副厂房顶拱位移最大值为2.38cm，为无支护工况的65.56％，可见喷锚支护加固效果较为明显，有效限制了各个洞室顶拱、边墙的变形；

2、应力场，两种工况的应力分布规律基本一致，完全支护情况下，各应力值略有降低，无拉应力出现，支护效果明显；

3、塑性破坏区，完全支护后塑性破坏区体积为18427m3，为无支护工况（42220m3）的43.65％，可见，锚杆通过其预紧力，将洞周岩层拉紧，增强了其抗变形能力，有效抑制了洞室围岩塑性区的发展，对提高围岩的稳定性起到很大作用。

3.2 锚杆支护强度的敏感性分析

在所选定的支护参数的基础上，调整锚杆长度和间距，进行锚杆支护强度的敏感性分析：

1、将每根锚杆的长度加长2m进行计算；

2、将锚杆间距由原来的1.5m扩大到2m进行计算，共采用12084根锚杆。

计算结果见表2，各工况典型断面塑性破坏区分布情况见图2。

表2 锚杆支护强度的敏感性分析

工况 最大位移(cm) 塑性破坏区体积(m3)

主副厂房顶拱 主副厂房上游边墙 主副厂房下游边墙

正常支护参数 2.38 1.13 1.35 18427

锚杆长度加长2m 1.99 0.94 1.17 17892

锚杆间距2m 2.51 1.34 1.59 20358

位移场分布规律基本一致，只是在量值上有所差别，锚杆长度加长2m，各部位位移值均有所减小，锚杆间距由1.5m变为2m，洞室周围最大位移以及塑性破坏区随着支护强度的变化而变化，总体规律是，增大锚杆的长度对减小变形和塑性破坏区体积有利，加大锚杆间距对减小变形和塑性破坏区体积不利，这也与定性分析的认识规律相符合。

 

图2 各工况典型断面塑性破坏区分布

4 结语

利用FLAC3D中的锚杆单元和衬砌单元，可以比较合理的模拟围岩稳定分析中的支护效果。根据计算结果得出，喷锚支护加固对各个洞室顶拱、边墙的变形有很明显的抑制作用，支护效果明显；并有效抑制了洞室围岩塑性区的发展，对提高围岩的稳定性起到很大作用。增大锚杆的长度对减小变形和塑性破坏区体积有利，加大锚杆间距对减小变形和塑性破坏区体积不利，这也与定性分析的认识规律相符合。

参考文献：

[1]王思敬,杨志法,刘竹华.地下工程岩体稳定分析[M].北京:科学出版社,1984：64—75．

[2]郑颖人,董云飞,徐振远.地下工程锚喷支护设计指南[M].北京:中国铁道出版社,1988：69-74.

[3]锚喷支护结构设计理论及施工方法.水电部六局,1973.