半明半暗連拱隧道錨桿施工力學(xué)分析

張 忠,莫海軍,覃 宇

(1.湖南利聯(lián)安邵高速公路開發(fā)有限公司,湖南 婁底 417000;2.珠海市電力建設(shè)工程有限公司,廣東 珠海 519000)

目前,隨著錨桿支護(hù)技術(shù)在巖土工程的廣泛應(yīng)用,人們對錨桿的作用機(jī)理了解不斷深入[1]、[2]。但是,在實際工程中錨桿支護(hù)是很多錨桿組成的錨桿群一起共同工作,因此錨桿群的工作特點與單根錨桿會有所不同;并且,錨桿的受力是隨著處于隧道位置不同而變化較大。但是現(xiàn)今設(shè)計往往并不區(qū)別對待,結(jié)果導(dǎo)致大多數(shù)部位的錨桿設(shè)計偏于保守,而個別部位可能出現(xiàn)不足。

為了了解錨桿群在半明半暗連拱隧道中的工作特點,本文以某市的半明半暗連拱隧道為工程背景,利用有限差分對其施工方法進(jìn)行模擬,進(jìn)而對錨桿群的受力特點進(jìn)行研究,以便對其不同部位受力機(jī)理更充分的認(rèn)識。

1 工程概況

2 施工過程的數(shù)值模擬

2.1 計算模型

圖1 半明半暗隧道結(jié)構(gòu)圖

依照地質(zhì)資料以及設(shè)計中連拱隧道斷面的相關(guān)尺寸建立平面模型:計算模型的寬度為 100m;豎直方向向上取到地表,向下以隧道拱底為基準(zhǔn)往下再取 30m。計算時所施加的邊界約束條件是:地表為自由邊界,未受任何約束;計算模型的左右邊界分別受到水平方向的位移約束,下部邊界受到垂直方向的位移約束。計算模型網(wǎng)格劃分如圖 2所示。根據(jù)分析問題的特點 ,圍巖采用 Drucke-Plrager屈服準(zhǔn)則,初始應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力,隧道初期支護(hù)考慮錨桿、噴射混凝土以及鋼拱架的作用。圍巖采用實體單元,錨桿采用錨索單元,初期支襯用殼體單元、二次襯砌采用實體單元。

圖2 半明半暗隧道網(wǎng)格劃分

2.2 圍巖計算參數(shù)

圍巖所選取的計算參數(shù)多數(shù)是根據(jù)隧道的勘測報告確定的,參數(shù)不全的部分由《公路隧道設(shè)計規(guī)范》選取的,錨桿和混凝土襯砌具體幾何參數(shù)為實際設(shè)計數(shù)值,中隔墻為鋼筋混凝土材料,按照塑性材料處理,具體詳見表1。

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2.3 模擬過程

隧道三維開挖過程與平面的有所不同,具體施工步驟劃分見圖 3。

步驟 1:中導(dǎo)洞開挖 3m,然后施作 3m的初期支護(hù),重復(fù)以上過程直至中導(dǎo)洞貫通;

步驟 2:中隔墻一次性澆筑;

步驟 3:右導(dǎo)洞開挖 3m,然后施作 3m的初期支護(hù),直至右導(dǎo)洞貫通;

步驟 4:右側(cè)暗洞上臺階向前開挖3m及施作初期支護(hù),直至上臺階貫通;

步驟 5:右側(cè)暗洞下臺階向前開挖3m及施作初期支護(hù),直至下臺階貫通;

圖8中，左側(cè)為貨位隨機(jī)分配示例圖，右側(cè)為EMBBO算法貨位分配優(yōu)化示例圖；圖中不同顏色立方體分別代表A,B,C,D 4種貨物，對比兩種貨位分配方案，右側(cè)貨架重心明顯降低，高出/入庫頻率貨物(C類、D類貨物)放置于距離出/入庫臺近的位置，滿足存儲效率優(yōu)先原則、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原則，貨位分配布局更為合理。

步驟 6:右側(cè)暗洞一次性施作二次襯砌;

步驟 7:左側(cè)明洞一次開挖完成;

步驟 8:左側(cè)明洞二次襯砌一次施作;

步驟 9:左側(cè)明洞洞頂回填。

圖3 隧道開挖順序

3 計算結(jié)果及分析

3.1 計算結(jié)果

圖4 中導(dǎo)洞開挖后

圖5 右主洞上臺階開挖后

圖6 左主洞開挖后

圖7 左主洞洞頂回填后

根據(jù)隧道的結(jié)構(gòu)特點把錨桿分為拱頂、拱腰、拱腳、墻腰、墻腳等五個部分來分析,劃分邊界是根據(jù)隧道設(shè)計的不同曲線來分割的。

(1)中導(dǎo)洞開挖后,其周邊圍巖中的錨桿全部受拉力,在中導(dǎo)洞底部的錨桿群出現(xiàn)最大拉力,其值為 0.92 kN(圖4)。

(2)右側(cè)暗洞上臺階開挖后,在右側(cè)暗洞巖體中的錨桿全部受拉力,在靠近左拱腳側(cè)的錨桿群拉力較大,最大拉力值為 5.86 kN;右拱腳側(cè)錨桿群受力次之,其它部位的拉力較小;而中隔墻的頂部、底部巖體中的錨桿則出現(xiàn)比較小的壓力(圖5)。

(3)左側(cè)明洞開挖后,右側(cè)暗洞在左拱腳側(cè)的錨桿拉力值進(jìn)一步增加,而拱頂、拱腳部位錨桿的拉力有所減少,最大拉力值為 6.86 kN;中隔墻頂部、底部巖體中的錨桿還是以受壓為主,但壓力有所增加(圖 6)。

(4)左側(cè)明洞洞頂回填完成后,右側(cè)暗洞部分巖體中的錨桿拉力值有所減少,甚至個別的出現(xiàn)壓應(yīng)力;其中在右側(cè)暗洞左拱腳部位的錨桿拉力最大,值為 6.72 kN;中隔墻頂部、底部巖體中的錨桿壓力進(jìn)一步增加但增加不是很多(圖7)。

3.2 分析

通過數(shù)值分析方法對某半明半暗連拱隧道的施工方法進(jìn)行模擬,和對錨桿群的受力特征進(jìn)行分析,得出如下結(jié)論。

(1)在右側(cè)暗洞左、右拱腳部位的錨桿群受力較大,特別是左拱腳的部位;因此在此處的錨桿群發(fā)揮的作用比較完全,對設(shè)計來講是關(guān)鍵部位、對施工來講是重點。

(2)在右側(cè)暗洞拱頂部位的較小,甚至出現(xiàn)壓力;因此表明錨桿的作用沒有充分發(fā)揮出來,在此處有沒有錨桿關(guān)系不大。

(3)在右側(cè)暗洞墻腰部位錨桿的受力居中,設(shè)計偏于保守,可以適當(dāng)減少錨桿的數(shù)量。

4 結(jié)束語

從理論分析看,因為半明半暗連拱隧道埋深較淺,本文針對模擬的隧道最大埋深只有 16m,地面傾角為 31°,因此巖體主要受自重荷載。雖然隧道受大偏壓,但是荷載較小。因此在開挖后,在暗洞拱腰側(cè)的圍巖受力較大,其它部位較小,進(jìn)而可以考慮根據(jù)圍巖不同部位的受力特點適當(dāng)?shù)恼{(diào)整錨桿的數(shù)量以做到經(jīng)濟(jì)合理。

[1]方勇,何川.全長粘結(jié)式錨桿與隧道圍巖相互作用研究[J].工程力學(xué),2007(6):111-116

[2]楊雙鎖,張百勝.錨桿對巖土體作用的力學(xué)本質(zhì)[J].巖體力學(xué),2003(10):279-282

[3]秦愛新.全長錨桿支護(hù)力學(xué)分析[J].河北煤炭,2001(1):1-2

[4]曾華明,李祺,岳向紅.張拉荷載下錨桿錨固巖石錨桿的力學(xué)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006(10):3982-3986