初次支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖塑性區(qū)和位移的影響研究

楊建輝，陳自海，文獻(xiàn)民，朱漢華

(1.浙江科技學(xué)院，杭州 310023;2.浙江工業(yè)大學(xué)，杭州 310014;3.浙江省公路管理局，杭州 310009)

0 引言

深埋破碎圍巖自穩(wěn)性差，特別是拱部圍巖，圍巖自穩(wěn)時(shí)間很短或基本沒(méi)有自穩(wěn)時(shí)間，在隧道施工失去支承后極易發(fā)生坍落，造成工程事故。如何在此類圍巖中安全經(jīng)濟(jì)地施工一直是工程界關(guān)注的問(wèn)題。在深埋破碎圍巖條件下開(kāi)挖隧道，除了采用管棚超前支護(hù)、預(yù)注漿等支護(hù)措施外，還會(huì)結(jié)合初次支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)減小圍巖的塑性區(qū)，提高開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性和隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。初次支護(hù)結(jié)構(gòu)主要由注漿錨桿、鋼架、金屬網(wǎng)、厚噴層等組成。錨桿長(zhǎng)度與鋼架剛度(型號(hào))的選擇至關(guān)重要，是重要的支護(hù)參數(shù)。在隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及支護(hù)效果研究方面，文獻(xiàn)［1－5］對(duì)隧道圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及位移進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測(cè)研究;文獻(xiàn)［6－13］采用數(shù)值模擬方法對(duì)隧道初期支護(hù)穩(wěn)定性及內(nèi)力進(jìn)行了研究;菅磊等［14］對(duì)軟弱圍巖中大斷面海底隧道預(yù)留變形量對(duì)鋼拱架的影響進(jìn)行了研究;汪波等［15］對(duì)蒼嶺隧道初期支護(hù)時(shí)間進(jìn)行了探討，確定了該隧道不同地段的最佳支護(hù)時(shí)機(jī);許文峰［16］研究了小凈距隧道中不同施工順序?qū)Τ跗谥ёo(hù)內(nèi)力及圍巖塑性區(qū)的影響;黃阜等［17］對(duì)單拱4車道進(jìn)行了研究，得出不同施工方法下初期支護(hù)的應(yīng)力和位移特征;鄧國(guó)華等［18］研究了鎖腳錨管對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響;李紅軍等［19］對(duì)錨注支護(hù)與常規(guī)的噴錨支護(hù)進(jìn)行對(duì)比研究，指出錨注支護(hù)可有效地限制圍巖的變形和塑性區(qū)的發(fā)展;張凱［20］以龍頭山公路隧道為背景，研究了大跨度公路隧道開(kāi)挖時(shí)初期支護(hù)施工工藝及相應(yīng)的輔助措施。由于目前對(duì)錨桿合理長(zhǎng)度及鋼架合理剛度(型號(hào))的研究還不夠深入，在施工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因錨桿長(zhǎng)度、鋼架剛度不合理而引發(fā)的工程施工事故。本文采用巖土工程三維有限元分析程序Z_ Soil3D對(duì)不同錨桿長(zhǎng)度、不同剛度鋼架條件下的模型進(jìn)行了分析計(jì)算，探討錨桿長(zhǎng)度以及鋼架剛度對(duì)圍巖的變形及穩(wěn)定性的影響，提出了二者合理取值。

1 計(jì)算模型

隧道掘進(jìn)跨度為11.4 m，注漿層厚度均為3 m，噴射混凝土厚度為20 cm，初次襯砌厚度為35 cm，二次襯砌厚度為50 cm。有限元模型橫向尺寸取70 m(＞5倍洞徑)，豎直向下取45 m(4倍洞徑)，埋深取500 m，側(cè)壓力比λ=1.0(在只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)情況下的側(cè)壓力系數(shù)，λ=μ/(1－μ)，按此公式計(jì)算，本文取μ= 0.4，得側(cè)壓力系數(shù)λ=0.67，文中考慮了一定的構(gòu)造應(yīng)力，側(cè)壓力系數(shù)會(huì)大于前述的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)海姆假說(shuō)取側(cè)壓力系數(shù)為1)。材料基本參數(shù)如表1所示。為了了解錨桿長(zhǎng)度對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響，錨桿長(zhǎng)度分別取為0(無(wú)錨桿)，1，2，3，4，5，6，7 m，隧道按CRD法施工。錨桿直徑取24 mm，環(huán)向布置37根，單位長(zhǎng)度的總用鋼量為130 kg。為了了解永久鋼架和臨時(shí)鋼架對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響，分別對(duì)11種配備有不同鋼架的隧道開(kāi)挖模型進(jìn)行了分析，這11種模型的永久和臨時(shí)鋼架截面的組合情況如表2所示。G－1～G－6模型保持臨時(shí)鋼架不變，不斷增加永久鋼架截面慣性矩(此時(shí)G－5永久鋼架剛度取值為10 641 cm4)，對(duì)永久鋼架的作用規(guī)律展開(kāi)研究，模型G－5、G－7～G－11永久鋼架保持不變，不斷增加臨時(shí)鋼架截面慣性矩(此時(shí)G－5臨時(shí)鋼架剛度取值為2 491 cm4)，對(duì)臨時(shí)鋼架的作用規(guī)律展開(kāi)研究。

表1 材料基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of materials

表2 鋼架模型計(jì)算方案(開(kāi)挖方案:CRD)Table 2 Calculation model of steel arch frame(excavation schemes:CRD method)

2 錨桿長(zhǎng)度的影響分析

2.1 對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響

圖1為錨桿長(zhǎng)度對(duì)拱頂塑性區(qū)厚度的影響，圖2為CRD法開(kāi)挖下隧道全斷面圍巖塑性區(qū)分布圖。由圖可知，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度＜2 m時(shí)，拱部圍巖塑性區(qū)厚度變化明顯，說(shuō)明錨桿能有效地控制圍巖塑性區(qū);但當(dāng)錨桿長(zhǎng)度≥2 m時(shí)，拱部圍巖塑性區(qū)厚度約為1.5 m，錨桿長(zhǎng)度超出了塑性區(qū)范圍，這說(shuō)明當(dāng)錨桿長(zhǎng)度超過(guò)塑性區(qū)厚度后，再增大錨桿長(zhǎng)度對(duì)塑性區(qū)的控制作用不明顯。

圖1 錨桿長(zhǎng)度對(duì)拱頂圍巖塑性區(qū)厚度的影響Fig.1 Influence of length of anchor on thickness of plastic zone of surrounding rock

圖2 不同錨桿長(zhǎng)度的塑性區(qū)分布Fig.2 Distribution of plastic zone under different anchor lengths

計(jì)算表明，錨桿能夠有效地調(diào)整圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，施加錨桿后拱部圍巖徑向應(yīng)力有所增大，這對(duì)減小塑性區(qū)范圍和減小位移都有重要意義，有利于圍巖的穩(wěn)定。

2.2 對(duì)圍巖位移的影響

錨桿長(zhǎng)度與拱底圍巖水平位移及拱頂圍巖豎向位移關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，錨桿長(zhǎng)度對(duì)圍巖位移有明顯影響，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度＜2 m時(shí)，圍巖位移隨錨桿長(zhǎng)度的增大而迅速減小，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度≥2 m時(shí)，位移減小不明顯。

圖3 錨桿長(zhǎng)度對(duì)圍巖位移的影響Fig.3 Influence of length of anchor on displacement of surrounding rock

施加錨桿支護(hù)可以顯著地減小圍巖的變形，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度＞3 m時(shí)，隨錨桿長(zhǎng)度增大位移收斂值減小不明顯，因此，適宜的錨桿長(zhǎng)度為2～3 m。分析表明，未施加錨桿支護(hù)時(shí)，拱部位移大于底部位移，而施加錨桿支護(hù)后拱頂?shù)奈灰剖噶棵黠@小于拱底，表明錨桿可以有效地控制所施作區(qū)域內(nèi)的位移。

3 鋼架剛度的影響分析

3.1 永久鋼架

3.1.1 對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響

在CRD法開(kāi)挖下模型G－3和G－5的隧道全斷面圍巖塑性區(qū)分布如圖4所示，永久鋼架的慣性矩與塑性區(qū)厚度關(guān)系如圖5所示。從圖4和圖5可以看出，隨著永久鋼架慣性矩的不斷提高，圍巖塑性區(qū)范圍和厚度不斷減小，在拱頂區(qū)域較為明顯。但當(dāng)鋼架慣性矩＞3 830 cm4時(shí)，拱底的塑性區(qū)趨于穩(wěn)定，當(dāng)慣性矩＞5 695 cm4時(shí)，拱頂?shù)乃苄詤^(qū)趨于穩(wěn)定，這說(shuō)明從對(duì)塑性區(qū)的控制作用角度，永久鋼架的慣性矩存在優(yōu)化值。隨著永久鋼架慣性矩的提高，鋼架對(duì)圍巖的支撐作用得到加強(qiáng)，使得圍巖的應(yīng)力狀態(tài)從平面應(yīng)力逐漸向三向應(yīng)力轉(zhuǎn)變，圍巖的塑性區(qū)逐步減小。塑性區(qū)在永久鋼架和臨時(shí)鋼架節(jié)點(diǎn)周圍的圍巖處出現(xiàn)間斷，這是由于節(jié)點(diǎn)圍巖受臨時(shí)鋼架支撐作用最強(qiáng)，使得徑向應(yīng)力最大。

3.1.2 對(duì)圍巖位移的影響

永久鋼架慣性矩對(duì)拱底圍巖水平位移及拱頂圍巖豎向位移的影響如圖6所示。由圖6可知，隨著鋼架慣性矩增大，圍巖位移逐漸減小，鋼架對(duì)圍巖的支護(hù)作用增強(qiáng)。當(dāng)永久鋼架慣性矩由 1 509 cm4提高至14 604 cm4，提高幅度近 10倍時(shí)，豎向收斂值從17.27 cm減小至14.58 cm，水平收斂值從13.31 cm減小至11.13 cm，位移處于同一量級(jí)，當(dāng)鋼架慣性矩達(dá)到10 641 cm4時(shí)，位移趨于穩(wěn)定。?

圖6 永久鋼架慣性矩對(duì)圍巖位移的影響Fig.6 Influence of inertia of permanent steel arch frame on displacement of surrounding rock

由于鋼架的作用，圍巖的位移分布較為均衡，拱頂和拱底的位移場(chǎng)差別較小，臨時(shí)鋼架發(fā)生較大變形。從永久鋼架慣性矩與塑性區(qū)厚度以及收斂值的關(guān)系可知，永久鋼架的慣性矩宜＞5 659 cm4或10 641 cm4，即鋼架型號(hào)宜為HK200b或HK200c。

3.2 臨時(shí)鋼架

3.2.1 對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響

CRD法開(kāi)挖下模型G－8和G－10的隧道全斷面圍巖塑性區(qū)分布如圖7所示，模型G－5、G－7～G－11臨時(shí)鋼架慣性矩與塑性區(qū)厚度關(guān)系如圖8所示。隨著臨時(shí)鋼架慣性矩的不斷提高，圍巖塑性區(qū)在不斷減小，當(dāng)鋼架慣性矩＞3 830 cm4時(shí)，拱頂?shù)乃苄詤^(qū)趨于穩(wěn)定，當(dāng)慣性矩＞5 695 cm4時(shí)，拱底的塑性區(qū)趨于穩(wěn)定，這說(shuō)明從對(duì)塑性區(qū)的控制作用角度，臨時(shí)鋼架的慣性矩存在優(yōu)化值。

圖7 臨時(shí)鋼架慣性矩對(duì)塑性區(qū)的影響Fig.7 Influence of inertia of temporary steel arch frame on plastic zone

圖8 臨時(shí)鋼架慣性矩對(duì)圍巖塑性區(qū)厚度的影響Fig.8 Influence of inertia of temporary steel arch frame on the thickness of plastic zone

3.2.2 對(duì)圍巖位移的影響

臨時(shí)鋼架慣性矩對(duì)拱底圍巖水平位移及拱頂圍巖豎向位移的影響如圖9所示。由圖9可知，隨著鋼架慣性矩增大，圍巖位移逐漸減小，鋼架對(duì)圍巖的支護(hù)作用增強(qiáng)。當(dāng)臨時(shí)鋼架慣性矩由2 491 cm4提高至14 604 cm4，提高幅度近 6倍時(shí)，豎向收斂值從15.65 cm減小至13.23 cm，水平收斂值從11.93 cm減小至9.64 cm，當(dāng)臨時(shí)鋼架慣性矩達(dá)到10 641 cm4時(shí)，位移趨于穩(wěn)定。

圖9 臨時(shí)鋼架慣性矩對(duì)圍巖位移的影響Fig.9 Influence of inertia of temporary steel arch frame on the displacement of surrounding rock

從臨時(shí)鋼架與塑性區(qū)厚度以及收斂值的關(guān)系可知，臨時(shí)鋼架的慣性矩宜＞5 659 cm4或10 641 cm4，即鋼架型號(hào)宜為HK200b或HK200c，這與永久鋼架的結(jié)論一致。

3.3 鋼架內(nèi)力

3.3.1 鋼架內(nèi)力形式

部分模型鋼架彎矩和軸力分布如圖10和圖11所示?？梢钥闯?，永久鋼架起到拱的作用，其內(nèi)力以軸力為主，在節(jié)點(diǎn)處存在局部彎矩。CRD法開(kāi)挖過(guò)程對(duì)永久鋼架的內(nèi)力有影響，先施作的鋼架構(gòu)件受到后續(xù)開(kāi)挖的影響，其內(nèi)力較大，最后施作的鋼架構(gòu)件內(nèi)力較小，如模型G－5永久鋼架最大軸力是最小軸力的4.7倍。臨時(shí)鋼架則為壓彎構(gòu)件，存在較大軸力和彎矩。水平和豎向臨時(shí)鋼架構(gòu)件的彎矩相差不大。2層水平鋼架構(gòu)件的軸力相差較大，上層水平構(gòu)件的軸力是下層水平構(gòu)件的2～3倍。豎向構(gòu)件的軸力與上層水平構(gòu)件的軸力相當(dāng)，但明顯大于下層水平構(gòu)件的軸力。

3.3.2 鋼架剛度的影響

取永久鋼架A單元和臨時(shí)鋼架B，C單元，如圖12所示。模型G－1～G－6中，永久鋼架剛度變化對(duì)A，B，C鋼架單元的彎矩和軸力影響規(guī)律如圖13和圖14所示。隨著永久鋼架慣性矩的提高，永久鋼架的軸力和彎矩增大，臨時(shí)鋼架軸力和彎矩變化不大。結(jié)合永久鋼架慣性矩和位移以及塑性區(qū)厚度的關(guān)系(圖5和圖6)可知，提高永久鋼架的慣性矩減小了圍巖位移量和塑性區(qū)范圍，原因是永久鋼架對(duì)圍巖提供的支護(hù)力隨著慣性矩的增大而增大，同時(shí)鋼架受力也相應(yīng)增大。

模型G－5、G－7～G－11中，臨時(shí)鋼架剛度變化對(duì)A，B，C鋼架單元的彎矩和軸力影響規(guī)律如圖15和圖16所示。可以看出，隨著臨時(shí)鋼架慣性矩的增大，永久鋼架的彎矩和軸力減小，臨時(shí)鋼架的彎矩和軸力增大。結(jié)合臨時(shí)鋼架慣性矩和塑性區(qū)厚度以及位移的關(guān)系(圖8和圖9)可知，提高臨時(shí)鋼架的慣性矩減小了圍巖位移量和塑性區(qū)范圍，原因是隨著臨時(shí)鋼架慣性矩的增大，永久鋼架的支撐作用得到增強(qiáng)，對(duì)圍巖提供的支護(hù)力也相應(yīng)增強(qiáng)，臨時(shí)鋼架受力也相應(yīng)增大。

4 結(jié)論與討論

1)隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，圍巖塑性區(qū)厚度和圍巖位移都減小，但當(dāng)錨桿長(zhǎng)度達(dá)到和超過(guò)一定值后再增大錨桿長(zhǎng)度，拱部圍巖塑性區(qū)厚度變化不大，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度超過(guò)一定值后，圍巖位移也趨于穩(wěn)定。計(jì)算結(jié)果表明，錨桿的長(zhǎng)度宜為2～3 m。

2)隨著永久鋼架慣性矩的不斷提高，圍巖塑性區(qū)范圍和厚度減小，位移也逐漸減小，鋼架對(duì)圍巖的支撐作用得到加強(qiáng)。永久鋼架慣性矩存在優(yōu)化值，當(dāng)慣性矩超過(guò)優(yōu)化值后鋼架進(jìn)一步改善，圍巖穩(wěn)定性作用不明顯。計(jì)算結(jié)果表明永久鋼架的慣性矩宜＞5 659 cm4或10 641 cm4，即鋼架型號(hào)宜為HK200b或HK200c。

3)隨著臨時(shí)鋼架慣性矩的不斷提高，圍巖塑性區(qū)減小，位移也逐漸減小，鋼架對(duì)圍巖的支護(hù)作用增強(qiáng)。從對(duì)塑性區(qū)和位移的控制作用角度來(lái)看，臨時(shí)鋼架的慣性矩存在優(yōu)化值。計(jì)算結(jié)果表明臨時(shí)鋼架的慣性矩宜＞5 659 cm4或 10 641 cm4，即鋼架型號(hào)宜為HK200b或HK200c，這與永久鋼架的結(jié)論一致。

4)永久鋼架主要起拱的作用，其內(nèi)力以軸向壓力為主，在節(jié)點(diǎn)處存在局部彎矩。永久鋼架構(gòu)件內(nèi)力與施工順序相關(guān)，最早施加的構(gòu)件軸力是后施加的數(shù)倍。

5)臨時(shí)鋼架為壓彎構(gòu)件，存在較大軸力和彎矩，水平和豎向臨時(shí)鋼架的彎矩相差不大。2層水平鋼架構(gòu)件的軸力相差較大，上層水平構(gòu)件的軸力是下層水平構(gòu)件的2～3倍，這與在CRD法施工中上層水平構(gòu)件施加較早有關(guān)。豎向構(gòu)件的軸力與上層水平構(gòu)件的軸力相當(dāng)，但明顯大于下層水平構(gòu)件的軸力。

由于本文進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，僅考慮圍巖均質(zhì)的情況，未考慮實(shí)際施工中的一些細(xì)節(jié)問(wèn)題，如超欠挖等，故其研究結(jié)果會(huì)與實(shí)際存在差距。另外，將數(shù)值模擬與實(shí)例監(jiān)測(cè)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析將是下一步研究的重點(diǎn)。

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