煤系地層隧道鋼拱架間距和錨桿長度 優(yōu)化研究

王一鳴

(河南工程學(xué)院 河南鄭州 451191)

1 引言

隨著我國交通基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，穿越煤系地層的隧道越來越多。煤系地層是隧道建設(shè)中的不良地質(zhì)現(xiàn)象，直接關(guān)系到隧道施工的安全，處治不當(dāng)將產(chǎn)生圍巖大變形甚至塌方風(fēng)險。永寧高速雷公浦隧道穿越煤系地層段在施工中發(fā)生塌方，鋼拱架壓斷，超前支護(hù)和小導(dǎo)管垮塌[1]。合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保障煤系地層隧道施工安全的重要方面。

型鋼拱架剛度大，在噴射混凝土凝結(jié)前作為主要受力構(gòu)件，承受圍巖壓力。在混凝土凝結(jié)后，型鋼拱架對控制噴射混凝土裂縫發(fā)展具有顯著作用[2]。錨桿深入到圍巖內(nèi)部，一端錨固在穩(wěn)定的巖體中，另一端拉結(jié)住不穩(wěn)定的圍巖，主動加固圍巖抑制圍巖變形[3]。型鋼拱架和錨桿是初期支護(hù)的重要組成部分，合理的鋼拱架間距和錨桿長度，對于煤系地層隧道初期支護(hù)的穩(wěn)定具有重要作用。因此，對煤系地層隧道鋼拱架間距和錨桿長度進(jìn)行優(yōu)化分析，具有重要的工程意義。

本文以六沾復(fù)線三聯(lián)隧道穿越煤系地層段為依托，運(yùn)用FLAC 軟件進(jìn)行二維數(shù)值分析，設(shè)定不同工況，研究煤系地層隧道合理的鋼拱架間距和錨桿長度。

2 工程概況

六沾復(fù)線三聯(lián)隧道是一條單洞雙線隧道，全長12214m，最大埋深約280m 。D1K306+770～D1K306+970 為煤層集中段，長約200m。該段通過地層為宣威群（P2xn）砂巖夾頁巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤層，為Ⅴ級圍巖[4]。煤系地層段采用三臺階法開挖，支護(hù)參數(shù)見圖1。

3 數(shù)值模型與計(jì)算工況

3.1 模型建立與參數(shù)選取

圖1 煤系地層段支護(hù)參數(shù)（單位:m）

選取煤系地層段最大埋深280m 的D1K306+900 斷面建立平面應(yīng)變模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。為保證模型邊界不受隧道開挖的影響，從隧道中心線向兩側(cè)各取70 米，模型沿X（水平）方向共取140m，Y（豎直）方向取100m。

模型左、右和下邊界設(shè)置位移邊界條件，模型上邊界設(shè)置應(yīng)力邊界條件。約束左、右邊界的水平位移，約束下邊界的豎向位移。模型上邊界到地表范圍內(nèi)的巖體引起的豎向自重應(yīng)力施加到上邊界，作為應(yīng)力邊界條件。模型的初始地應(yīng)力根據(jù)隧址區(qū)地應(yīng)力測試結(jié)果設(shè)定，初始地應(yīng)力場是自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力共同作用的結(jié)果，且水平應(yīng)力（5.9MPa）大于豎向應(yīng)力（4.87MPa）[5]。計(jì)算模型見圖2。

圖2 計(jì)算模型

圖3 三臺階開挖示意圖（單位：m）

數(shù)值模擬的各施工步為：在初始地應(yīng)力場下計(jì)算平衡；上臺階施工；中臺階施工；下臺階仰拱施工；施作二次襯砌，各臺階開挖高度見圖3。

隧道圍巖假定為均質(zhì)各向同性的彈塑性材料，采用彈塑性本構(gòu)模型以及摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則進(jìn)行非線性靜力分析。圍巖采用四邊形等參單元模擬，錨桿采用桿單元模擬，初支及二襯采用梁單元模擬，計(jì)算模型劃分為四邊形單元。材料的力學(xué)參數(shù)結(jié)合工程實(shí)際和以往經(jīng)驗(yàn)選取，見表1。初支和二襯彈性模量采用把鋼材折算到混凝土后的數(shù)值[6]。

二維數(shù)值模型中錨桿長度通過設(shè)定不同長度的桿單元模擬，型鋼間距通過折算彈模的方法考慮，據(jù)縱向1m 長度內(nèi)鋼拱架榀數(shù)和式（1）折算出初支彈模。

式中：E 為折算后混凝土的彈性模量；Eo 為原混凝土的彈性模量；Sg 為鋼拱架的截面積；Eg 為鋼材的彈性模量；Sc 為混凝土的截面積。

表1 材料特性參數(shù)

表2 計(jì)算工況

3.2 計(jì)算工況

不同工況的參數(shù)設(shè)置見表2。工況一、二、三研究不同鋼拱架間距對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，工況一、四、五研究不同錨桿長度對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

4 計(jì)算結(jié)果分析

圖1 工況一數(shù)值計(jì)算結(jié)果

工況1 計(jì)算結(jié)果見圖4，拱部產(chǎn)生較大的下沉，拱部初支結(jié)構(gòu)承受較大的軸力。進(jìn)而提取不同工況初支位移和初支內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行不同工況的對比分析。

4.1 不同鋼拱架間距計(jì)算結(jié)果分析

4.1.1 初支位移

表3 三種工況初支位移比較（單位cm）

表4 三種工況初支軸力比較（單位kN）

三種工況計(jì)算的初支位移見表3。工況二與工況一相比，初支位移有略微減小，但并不明顯，表明 在間距0.6m 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加密鋼拱架不能大幅度提高支護(hù)效果。工況三與工況一相比，初支位移有較大幅度增大，表明鋼拱架間距過大，初支剛度過小，不能很好地抑制圍巖變形。

4.1.2 初支內(nèi)力

三種工況計(jì)算的初支軸力見表4。工況一和工況二的初支軸力相差不大，表明在間距0.6m 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加密鋼拱架不能有效地減小初期支護(hù)的內(nèi)力。工況三比工況一的初支軸力大得多，表明鋼拱架間距過大，初期支護(hù)軸力有較大幅度的增加。

4.1.3 初支安全系數(shù)

初支主要承受軸向壓力，彎矩相對較小，選取軸力最大的截面，依據(jù)該截面能夠承擔(dān)的最大軸力和實(shí)際承受的軸力，計(jì)算安全系數(shù)[7]。三種工況計(jì)算的初支安全系數(shù)見表5。

工況一和工況二的安全系數(shù)均大于1，而工況三則小于1。安全系數(shù)對比表明鋼拱架間距0.5m 及0.6m 的支護(hù)效果差不多，這是由于噴射混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后作為主要承載結(jié)構(gòu)，而減小鋼拱架間距不能有效地改善支護(hù)效果。鋼拱架間距0.7m 不能保證初期支護(hù)的穩(wěn)定，這是由于在混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前，鋼拱架剛度太小，導(dǎo)致初期支護(hù)剛度太小。鋼拱架間距0.6m 是比較合理的，進(jìn)一步減小鋼拱架間距不能有效地提高支護(hù)效果，增大鋼拱架間距則不能保證初期支護(hù)的安全。

表5 三種工況初支安全系數(shù)比較

表6 三種工況初支位移比較（單位cm）

4.2 不同錨桿長度計(jì)算結(jié)果分析

4.2.1 初支位移

三種工況計(jì)算的初支位移見表6。由工況四和工況一的結(jié)果對比可知，縮短邊墻錨桿長度，初支位移增大較多；這是由于邊墻錨桿沒有穿過圍巖塑性區(qū)，不能有效地發(fā)揮錨固作用。由工況五和工況一的結(jié)果對比可知，增大拱部錨桿長度，初支位移并沒有大幅度減小，表明錨桿長度增大到一定數(shù)值后，錨固效果并不能進(jìn)一步改進(jìn)。

4.2.2 初支內(nèi)力

三種工況計(jì)算的初支軸力見表7。工況四的初支軸力較工況一增大較多，表明邊墻錨桿長度過短，不能有效地加固圍巖，圍巖松動區(qū)增大，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力增大。工況五的初支軸力較工況一并沒有大幅度減小，拱部錨桿長度進(jìn)一步增大，不能有效地提高錨固效果。

表7 三種工況初支軸力比較（單位kN）

表8 三種工況初支安全系數(shù)比較

4.2.3 初支安全系數(shù)

選取軸力最大的截面計(jì)算安全系數(shù)，三種工況計(jì)算的二襯軸力見表8。工況一和工況五的安全系數(shù)均大于1，而工況四則小于1。拱部錨桿3.5m 和邊墻錨桿6m 是合理的支護(hù)參數(shù)。煤系地層隧道邊墻部位圍巖塑性區(qū)大，減小邊墻錨桿長度會導(dǎo)致錨桿無法穿過塑性區(qū)而不能起到錨固作用，降低初支安全系數(shù)，可能導(dǎo)致初支破壞。拱部錨桿長度在3.5m 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高不能明顯提高初支安全系數(shù)。

5 結(jié)語

本文利用數(shù)值模擬的方法，設(shè)定不同工況，探討了不同的型鋼間距和不同的錨桿長度對煤系地層隧道初支穩(wěn)定性的影響，得到了以下結(jié)論：（1）鋼拱架剛度大，在噴射混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前，是主要的承載結(jié)構(gòu)，其間距不應(yīng)過大。噴射混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，混凝土承擔(dān)大部分荷載，過于加密鋼拱架不能顯著改善支護(hù)效果。（2）錨桿必須穿過圍巖塑性區(qū)錨固在穩(wěn)定的圍巖中才能發(fā)揮錨固作用。邊墻部位塑性區(qū)大，邊墻錨桿不應(yīng)過短。拱部塑性區(qū)較小，且拱頂部位錨桿施工效果不易保證，過多增長拱部錨桿不能顯著改善支護(hù)效果。（3）三聯(lián)隧道煤系地層段I20b 型鋼合理間距為0.6m，φ25 錨桿合理長度為拱部120 °以內(nèi)為3.5m，邊墻部位為6m。

煤系地層隧道初期支護(hù)的合理設(shè)計(jì)對于保證施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有重要意義，合理的鋼拱架間距和錨桿長度是初期支護(hù)設(shè)計(jì)的重要方面。本文對鋼拱架間距和錨桿長度的優(yōu)化分析可為類似地質(zhì)情況的類似隧道工程提供借鑒。