TBM隧道锚杆支护偏角对围岩变形的影响:以淮南张集矿TBM段巷道为例

孟佑强; 马文著; 马昊; 胡世超; 张名钟; 王鑫; 周晓敏; 刘勇

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502383

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (6) :2330-2337 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502383

矿冶工程

TBM隧道锚杆支护偏角对围岩变形的影响:以淮南张集矿TBM段巷道为例

孟佑强 ¹ ,
马文著 ²^,³^,⁴^,⁵^,^* ,
马昊 ¹ ,
胡世超 ⁶ ,
张名钟 ⁶ ,
王鑫 ⁶ ,
周晓敏 ² ,
刘勇 ²

作者信息 +

Influence of Anchor Bolt Support Angles on Surrounding Rock Deformation in TBM Tunnels:TBM Section of Zhangji Mine in Huainan

MENG You-qiang ¹ ,
MA Wen-zhu ²^,³^,⁴^,⁵^,^* ,
MA Hao ¹ ,
HU Shi-chao ⁶ ,
ZHANG Ming-zhong ⁶ ,
WANG Xin ⁶ ,
ZHOU Xiao-min ² ,
LIU Yong ²

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摘要

全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machines,TBM)在不良地层施工时,常会因锚杆支护不当引发塌方、卡机等风险。实际施工中,锚杆往往存在不同打设偏角,加大了支护效果的不确定性。因此,本文以淮南张集矿TBM段巷道为研究背景,对锚杆偏角进行数值模拟,并与实测数据进行对比验证,分析了不同围岩条件下锚杆打设偏角对围岩变形的影响规律。研究结果表明:数值模拟与监测数据吻合良好;锚杆偏角增大,对拱顶和拱侧的收敛位移影响分别为25.59%和18.7%,塑性区增幅逐渐减小;围岩强度较低时,锚杆支护对变形的控制作用更大;明确了剪胀角是影响围岩变形的重要因素,剪胀角越大,锚杆支护效果越明显。研究结果为TBM施工隧道的锚杆支护设计优化提供理论支撑。

Abstract

TBM (tunnel boring machines) often encounter risks such as collapses and jamming, primarily due to inadequate anchor bolt support during construction in adverse geological conditions. In actual construction scenarios, anchor bolts frequently exhibit varying installation angles, which increases the uncertainty regarding the effectiveness of the support. Consequently, The TBM tunnel in the Zhangji Mine of Huainan was taken as the research background. Numerical simulations were conducted on bolt inclination angles, and the results were verified through comparison with field measurement data. The influence law of bolt installation angles on surrounding rock deformation was analyzed under different surrounding rock conditions. The results show as follows. The numerical simulations align closely with the monitoring data. An increase in the anchor bolt installation angle affects the convergence displacement of the crown and side arch by 25.59% and 18.7%, respectively, while the increase in the plastic zone gradually diminishes. When the surrounding rock strength is lower, the control effect of anchor bolt support on deformation becomes more significant. It is clarified that the dilatancy angle is a crucial factor influencing the deformation of surrounding rock; the larger the dilatancy angle, the more pronounced the effect of anchor bolt support. These research results provide theoretical support for optimizing anchor bolt support design in TBM construction tunnels.

Graphical abstract

关键词

隧道支护 / 敞开式TBM / 锚杆打设偏角 / 围岩变形

Key words

tunnel support / open TBM / anchor placement deviation / surrounding rock deformation

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孟佑强, 马文著, 马昊, 胡世超, 张名钟, 王鑫, 周晓敏, 刘勇. TBM隧道锚杆支护偏角对围岩变形的影响:以淮南张集矿TBM段巷道为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(6): 2330-2337 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502383

MENG You-qiang, MA Wen-zhu, MA Hao, HU Shi-chao, ZHANG Ming-zhong, WANG Xin, ZHOU Xiao-min, LIU Yong. Influence of Anchor Bolt Support Angles on Surrounding Rock Deformation in TBM Tunnels:TBM Section of Zhangji Mine in Huainan[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(6): 2330-2337 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502383

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全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machines, TBM)与传统的钻爆法相比,安全性更高、掘进速度更快^[1-2]。目前,TBM已广泛应用于交通、水利和矿业等行业^[3-6]。TBM分为护盾式与敞开式,敞开式TBM能够贯彻新奥法施工理念,实现锚喷支护,因而适用于更深、更复杂的地质条件^[7]。例如,川藏铁路隧道4座隧道中的10台TBM全部推荐敞开式^[8]。煤矿巷道的伴生地质条件较差,多泥岩和砂岩,也多采用敞开式TBM^[9-10]。然而,当敞开式TBM在质量较差围岩施工时,依然因支护力度不足而发生塌方和卡机问题^[11-12]。

锚杆作为围岩内部的主要支护结构,相关学者开展了锚杆支护方面的理论和数值计算研究^[13-14]。周振梁等^[15]将锚固作用视为支护力,基于弹塑性力学分析了TBM隧道围岩-支护动态相互作用机制。孙振宇等^[16]基于围岩的复合结构特征,通过锚固体系协同作用力学模型,得到了锚固体系与围岩的相互作用力学解答。李晶晶^[17]基于弹塑性力学研究了TBM施工斜井条件下的围岩-支护相互作用机理问题,给出了摄动解。周晓敏等^[18-19]和Ma等^[20-21]研究了径向锚杆支护参数对围岩变形和应力的影响规律。以上研究证实了锚杆对围岩支护的有效作用,但未锚杆打设偏角进行研究。潘文韬等^[22]研究了挤压型围岩隧道的锚杆定向支护,结果表明锚杆施作角度对围岩加固的效果影响显著,不同岩石层理对锚杆角度的敏感性不同。曹思源等^[23]采用FLAC^3D研究了超前支护锚杆角度的影响,并进行了模拟优化。薛治国^[24]通过MIDAS-NX对山岭隧道洞口开挖进行模拟,结果表明20°~30°的锁脚锚杆布设角度能取得较好的开挖支护效果。Chen等^[25]通过室内锚杆试验与理论解析方法,分析了不同偏角下的剪切锚固问题和锚杆加载角与位移角的关系。李强^[26]将围岩视为连续介质,给出了打设偏角对围岩变形的影响,结果表明:虽然打设偏角为0时(径向打设时),围岩变形是最小的,但打设偏角的存在对围岩的影响在5%以内甚至更小。与此同时,Tang等^[9]将围岩视为离散块体,研究了这两种分布方式的影响规律:打设偏角的存在对围岩变形的影响较大,甚至相差30%以上。可见,对于锚杆打设偏角的影响判断存在分歧,也包括使用连续介质分析围岩与锚杆的相互作用是否合适等问题。以上问题一定程度上制约了TBM隧道锚杆支护设计的发展。

因此,现以淮南张集矿TBM段巷道为背景,基于连续介质建立有限元模型,进行数值模拟分析,并结合实测数据验证。通过多种工况模拟,揭示锚杆偏角与围岩参数对围岩变形及塑性区扩展的影响规律,为敞开式TBM锚杆支护提供参考。

1 锚杆支护的有限元模型

张集矿位于安徽省北部(图1),以淮南张集矿的TBM段巷道为背景,依据现场地质条件,建立有限元模型如图2所示,根据圣维南原理和隧道有限元建模经验,隧道开挖对围岩的扰动范围一般在3~5倍洞径,模型尺寸为60.0 m×60.0 m。为了得出锚杆支护作用和锚杆打设偏角的影响,除无锚固的有限元模型外,由于TBM自带锚杆钻机的不同,分为支护方案1和支护方案2(图3)。

锚杆单元为梁单元(B21),围岩单元为平面应变单元(CPE4)。根据地应力测量结果,模型的原岩竖向应力14.3 MPa,水平应力21.6 MPa。相关研究表明^[27],锚杆支护可以改善围岩内部应力状态,从而降低围岩的剪胀角,减小围岩的塑性变形。另外,亦有研究表明^[18],径向锚杆对于围岩应力状态的改善是最明显的。综上,支护方案1和方案2时的石英砂岩剪胀角分别取1/2和1/4的内摩擦角。

Mohr-Coulomb强度准则为

(1)f=σ'_θ-tan²

$\left(\frac{\pi }{4}+\frac{\varphi }{2}\right)$

σ'_r-

$\left[\mathrm{t}\mathrm{a}{\mathrm{n}}^{2}\left(\frac{\pi }{4}+\frac{\varphi }{2}\right)-1\right]\frac{c}{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\varphi }$

式(1)中:σ'_θ为环向有效应力,即第1有效主应力σ₁;σ'_r为径向有效应力,即第3有效主应力σ₃;c为黏聚力;ϕ为内摩擦角。

塑性势函数的具体表达式为

(2)

$g=\sigma \text{'}{\mathrm{ }}_{\theta }-{k}_{\psi }\sigma \text{'}{\mathrm{ }}_{\mathrm{r}}$

式(2)中:k_ψ为剪切膨胀系数;k_ψ= tan²(π/4+ψ),其中ψ为剪胀角。

各岩层和锚杆的材料参数如表1所示。

2 结果分析与工程验证

围岩变形的有限元计算结果如图4所示。

图4(a)和图4(b)分别为围岩无锚固支护情况下的水平位移场和竖向位移场。图4(a)可以看出,围岩水平位移在拱侧最大,拱顶和拱底最小,几乎呈左右两侧对称分布,隧道两侧水平位移分别为126.13、126.24 mm。而由竖向位移场图4(b)可知,拱顶和拱底围岩收敛变形量分别为82.69、41.85 mm,拱顶位移约为拱底位移的两倍,因此锚杆支护应优先考虑拱侧和拱顶。

图4(c)和图4(d)为支护方案1条件下的围岩水平位移场和竖向位移场,锚杆存在打设偏角,水平位移场与无锚固情况下的分布规律基本一致,但左右拱侧位置最大水平位移降低至95.46、94.94 mm,降低24.32%和 24.79%。支护方案1下的围岩竖向位移与无锚固情况相比,拱顶位移大幅度减小,为56.68 mm,降低了31.45%,而拱底竖向位移变化较小,为40.93 mm,仅降低2.20%,这是因为拱底未施工锚杆,与拱顶位置相比竖向位移仍较小。

图4(e)和图4(f)为支护方案2条件下的围岩水平位移场和竖向位移场,锚杆为径向打设。左、右拱侧围岩水平位移分别为61.23、61.53 mm,较支护方案1条件下降低了35.86%和35.19%。锚杆径向打设下的拱顶和拱底围岩竖向收敛位移分别为27.54、5.24 mm,较支护方案1条件下降低了38.57%和87.19%。明显看出,与支护方案1相比,锚杆径向打设方案下的围岩水平和竖向位移场降幅均较大。

为了验证复杂地质条件下不同支护方案的适用性,并校核模拟结果的有效性,基于文献[9]的现场监测数据展开对比分析。文献中监测的支护方案主要包括带偏角支护与理论径向支护两类。监测结果表明,各方案下巷道收敛位移均呈现初期快速增长、后期逐渐趋稳定的规律,且不同支护形式对应的最终收敛位移存在明显差异,最大收敛位移均控制在93 mm以内。将数值模拟结果与现场实测位移数据在变化趋势和最终稳定值两方面进行对比,结果显示二者吻合较好。其中,带偏角锚杆支护条件下的位移最大偏差为7.60%,径向锚杆支护条件下最大偏差为12.03%。该对比结果验证了有限元建模过程及计算结果的合理性。

3 TBM隧道锚杆支护参数讨论

以上基于工程案例的模拟结果分析可知,锚杆径向打设时更有利于围岩的变形控制。不过以上结果考虑了锚杆加固对围岩剪胀角的影响,认为锚杆支护及改变锚杆打设偏角时围岩剪胀角同时发生了改变,支护方案并不是单一变量。因此,下面将在单一变量下(取围岩剪胀角30°),继续讨论锚杆打设偏角对围岩变形的影响规律以及围岩参数对锚杆支护效果的影响。用于讨论的围岩和锚杆基本材料参数如表1所示,有限元模型的建模过程同上,模型荷载为10.0 MPa的竖直方向和水平方向原岩地应力。

3.1 锚杆不同打设偏角的模型说明

对于主梁式的TBM,通常情况下,其锚杆钻机挂在主梁的环形轨道上[图5(a)],锚杆的打设方向不可避免地存在打设偏角,布置方式通常称为“梨形”,如图5(b)所示。

基于图5“梨形”锚杆布置方式,建立不同打设偏角的有限模型,分别为0°、15°、30°和45°,如图6所示。

3.2 锚杆偏角对围岩变形的影响

图7为不同打设偏角下的隧道内缘拱顶和拱侧的围岩变形曲线。由图7可知,拱顶位移较拱侧位移更大,例如,锚杆打设偏角为0°时,拱顶和拱侧位移分别为50.59、40.32 mm,差值百分比为25.49%。与上节拱侧位移较拱顶较大结论不同的原因是本模型采用竖直和水平相同大小的地应力设置以及锚杆打设布置范围不同。另外,两监测点位移均随着锚杆打设偏角的增大而增大,并且两者差值也逐渐增大。锚杆角度为45°时,拱顶和拱侧的变形值分别为63.54、47.86mm,分别较0°方案下增大了25.59%和18.7%。而两者差值百分比为32.93%,较0°方案下增大了7.44%,说明拱顶围岩收敛位移受锚杆打设偏角的影响更大。

3.3 锚杆偏角对围岩塑性区的影响

围岩塑性区范围的大小也是评价围岩安全性的重要指标,图8所示为钻机布置再环型轨道上的不同锚杆打设偏角对围岩塑性区范围的影响。径向锚杆打设时,围岩最大塑性应变为2.348×10^-2,塑性区主要分布于拱顶和拱底未进行锚杆支护的区域,这表面锚杆支护对于抑制围岩塑性区的发展有积极作用。随着锚杆打设偏角增大至15°、30°和45°时,塑性区半径呈逐渐增大趋势,并且其发育方向逐渐向拱侧锚杆支护区域发展。相应地,围岩最大塑性应变分别增长至2.934×10^-2、3.361×10^-2和3.639×10^-2,增长率分别为24.96%、14.55%和8.27%,即塑性区增大的速率在逐渐降低。此外,锚杆加固区的塑性区范围较无锚杆支护区域更大,但其塑性应变值相对较小,这意味着,锚杆支护能够使支护范围内的围岩形成一个整体,从而有效地降低了最大塑性应变。

3.4 弹性模量对围岩变形的影响

图9为未打设锚杆和径向锚杆支护方案下,不同围岩弹性模量对拱顶位置围岩收敛变形的影响。为了可以明确弹性模量单一因素的影响,本模型设置为弹性模型。当围岩弹性模量逐渐增加,围岩变形迅速减小,弹性模量大于1.2 GPa后明显趋于平缓。例如,围岩弹性模量从0.3 GPa增加至0.6 GPa,围岩变形由104.82、96.55 mm减小至52.47、48.56 mm,分别减小了49.94%和48.72%。而弹性模量由1.2 GPa增大至1.5 GPa时,围岩变形由26.2、24.81 mm减小至20.95、20.16 mm,分别减小了20.04%和18.74%。另外,取弹性模量为0.3、0.6、0.9、 1.2、1.5 GPa,锚杆支护与未支护相比,围岩变形分别减小了7.89%、7.45%、7.19%、5.31%和3.82%。这表明,锚杆支护对围岩的变形控制作用随着围岩弹性模量的增大而越来越小。因此,对于案例中主要赋存的泥岩和砂岩地层,弹性模量处于低弹性模量区间,锚杆支护作用较大,锚杆偏角设计对提升支护效果更有工程价值。

3.5 剪胀角对围岩变形的影响

图10为两种支护条件下,围岩剪胀角对的围岩变形的影响规律。固定弹性模量固定为1.2 GPa,剪胀角设置为0°~30°。首先,锚杆支护与未支护相比,围岩变形明显较小。例如,当ψ=0°时,未支护与锚杆支护的围岩变形分别为36.8、33.18 mm,即锚杆支护对围岩控制作用为9.84%。当ψ=30°时,未支护与锚杆支护的围岩变形分别为61.36、50.62 mm,锚杆支护对围岩控制作用为17.50%。这说明锚杆对围岩位移的控制作用随着剪胀角的增大而增大。另外,未支护和锚杆支护下围岩变形均随着剪胀角的增大而增大。剪胀角由0°增加至30°,未支护和锚杆支护的围岩变形增幅度分别高达66.74%和52.56%。这意味着,在依托工程中,降低围岩剪胀角是控制变形的核心途径。同时,锚杆支护可通过锚固作用约束围岩,间接抑制剪胀效应,与“降低剪胀角”形成协同控制。

4 结论

以淮南张集矿TBM段巷道为工程背景,通过建立数值模型并结合现场监测数据,分析了锚杆打设偏角与围岩参数对围岩变形及塑性区扩展的影响规律,得出如下结论。

(1)依据新集矿地质条件进行数值模拟,得到了不同支护方式下的围岩位移场,并通过现场监测验证了结果的正确性。

(2)在“梨形”锚杆布置形式下,当偏角从0°增加至45°,围岩位移和塑性区均呈增大趋势。拱顶位移增大25.59%,较拱侧位置高6.89%。

(3)弹性模量增加,围岩变形减小,但当弹性模量大于1.2 GPa时,变形量增长速率趋于平缓。从支护效能考虑,在低弹性模量围岩条件下,锚杆支护对变形的控制作用更为显著。

(4)剪胀角增大30°,锚杆支护后的围岩变形增加52.56%,而未支护围岩变形增加66.74%。说明,剪胀角是影响围岩变形的关键参数,而锚杆则在高剪胀角围岩下作用较大。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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