黃土隧道系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿錨固效果研究

黃磊 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400041

0 引言

隨著我國(guó)交通行業(yè)的迅速發(fā)展,越來(lái)越多的隧道穿過(guò)了黃土高原的山脈,使我國(guó)西部的交通發(fā)展迅速.系統(tǒng)錨桿作為新奧法施工的重要支護(hù)手段在黃土隧道施工中也得到了應(yīng)用.錨桿由于其增強(qiáng)效應(yīng)、懸吊效應(yīng)、內(nèi)壓效應(yīng)以及成拱效應(yīng)四種加固效應(yīng)可以提高圍巖的力學(xué)性能,改變圍巖的受力狀態(tài)【1】.

然而由于黃土土質(zhì)疏松,遇水易濕陷的特點(diǎn),工程界對(duì)于系統(tǒng)錨桿在黃土隧道中的錨固作用產(chǎn)生了諸多分歧【2】.而目前對(duì)于黃土隧道錨桿支護(hù)作用的研究也越來(lái)越多,如陳建勛等【3】對(duì)陜西省吳堡——子州高速公路上3座黃土隧道中的48根錨桿應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和統(tǒng)計(jì)分析,研究了黃土隧道錨桿受力與作用機(jī)制 張濤【4】通過(guò)數(shù)值模擬方法,研究了鎖腳錨桿(管)的承載特性,分析了隧道鎖腳錨桿(管)不同下插角、長(zhǎng)度、打設(shè)位置及直徑等對(duì)控制隧道變形的影響規(guī)律.

本文采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件ANSYS,擬通過(guò)建立格柵拱架+噴射混凝土+系統(tǒng)錨桿和格柵拱架+噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)+鎖腳錨桿兩種工況的數(shù)值模型,用強(qiáng)度折減法確定不同工況下隧道的安全系數(shù),從而定量的分析研究黃土隧道系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿的錨固效果.

1 隧道安全系數(shù)的計(jì)算

1.1 有限元強(qiáng)度折減法

有限元強(qiáng)度折減法是由鄭穎人等【5】提出,最早用于邊坡穩(wěn)定性分析中,后來(lái)被廣泛應(yīng)用于隧道等結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)計(jì)算中.

所謂強(qiáng)度折減,就是在理想彈塑性有限元計(jì)算中將邊坡巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)逐漸降低直到其達(dá)到破壞狀態(tài)為止,此時(shí)的折減系數(shù)即為強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù) .

1.2 有限元計(jì)算中隧道破壞的表現(xiàn)

隧道結(jié)構(gòu)的破壞為失穩(wěn)破壞,表現(xiàn)為拱頂懸垂與塌落失穩(wěn)、側(cè)壁突出與滑移失穩(wěn).

通過(guò)有限元強(qiáng)度折減,隧道達(dá)到失穩(wěn)破壞時(shí),破壞面上的位移將發(fā)生突變,產(chǎn)生很大的且無(wú)限制的塑性流動(dòng),這個(gè)過(guò)程在有限元程序中模擬時(shí)表現(xiàn)為以任何收斂標(biāo)準(zhǔn)判斷時(shí)計(jì)算都不收斂.

綜上,本文中重點(diǎn)關(guān)注拱頂沉降值以及周邊收斂值.

2 有限元模擬

2.1 建立模型

實(shí)踐和理論分析證明,對(duì)于地下洞室開(kāi)挖后的應(yīng)力和應(yīng)變,僅在洞室周?chē)喽词抑行狞c(diǎn)3~5倍開(kāi)挖寬度(或高度)的范圍內(nèi)存在實(shí)際影響.本文采用地層結(jié)構(gòu)法建立二維模型并分析,圍巖模型的長(zhǎng)度為4倍的洞寬,高度為3倍的洞高,即圍巖模型的寬度為100m,高度為60m.

圍巖采用Plane42單元模擬,錨桿采用Link單元模擬,噴射混凝土和鋼拱架采用Beam3單元模擬.

由于軟弱圍巖不具有自承能力,故開(kāi)挖前采用超前小導(dǎo)管注漿、管棚注漿、帷幕注漿等措施進(jìn)行超前支護(hù).在模擬時(shí)采用高峰等【6】提出的隧道圍巖注漿加固效應(yīng)模擬的改進(jìn)方法,即在加固區(qū)域的每一個(gè)單元上都附加一個(gè)新的單元(新舊單元公用節(jié)點(diǎn)),并對(duì)新單元賦予一定的自重、彈性模量的力學(xué)參數(shù),但無(wú)初始應(yīng)力和應(yīng)變.建立模型并劃分網(wǎng)格后如圖1所示.

圖 1 劃分網(wǎng)格后的模型

2.2 施工過(guò)程模擬

由于黃土隧道一般采用分部開(kāi)挖,為了減少計(jì)算量本次只模擬上臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程.因隧道屬于深埋隧道且不考慮構(gòu)造節(jié)理影響,故地應(yīng)力按初始自重應(yīng)力場(chǎng)考慮.

模擬過(guò)程采用應(yīng)力釋放法,即先計(jì)算初始自重應(yīng)力,并將其轉(zhuǎn)化為等效節(jié)點(diǎn)荷載.將開(kāi)挖后臨空面上的等效節(jié)點(diǎn)荷載提取出來(lái).根據(jù)賴(lài)金星等【7】所做的黃土連拱隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),初期支護(hù)和二次襯砌的荷載分擔(dān)比例為48%和52%,二次襯砌處于明顯地承載狀態(tài).本文中由于巖性較差,圍巖+初期支護(hù)的荷載分擔(dān)比取較小值即40%,這樣也可使計(jì)算偏于安全,同時(shí)也符合公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則【8】中給出的合荷載釋放系數(shù)建議值.

施加荷載過(guò)程中,部分巖土體進(jìn)入塑性狀態(tài)后,由材料屈服引起的過(guò)量塑性應(yīng)變以初應(yīng)變的形式被轉(zhuǎn)移并由整個(gè)體系中的所有單元共同承擔(dān).每一時(shí)步中,各單元與過(guò)量塑性應(yīng)變相應(yīng)的初應(yīng)變均以等效節(jié)點(diǎn)力的形式起作用,并處理為再次計(jì)算時(shí)的節(jié)點(diǎn)附加荷載.圍巖的工作狀態(tài)采用德魯克-普拉格準(zhǔn)則【9】(簡(jiǎn)稱(chēng)D-P準(zhǔn)則)檢驗(yàn).

為了簡(jiǎn)化計(jì)算本文只模擬初支的工況,分別用系數(shù)折減法計(jì)算施加格柵拱架+噴射混凝土+系統(tǒng)錨桿和施加格柵拱架+噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)+鎖腳錨桿兩種情況下隧道的安全系數(shù),并提取拱頂節(jié)點(diǎn)的豎向位移值以及拱腳節(jié)點(diǎn)的水平位移值進(jìn)行分析.

3 模擬結(jié)果對(duì)比及分析

工況一為:格柵拱架+噴射混凝土+系統(tǒng)錨桿 工況二為:格柵拱架+噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)+鎖腳錨桿.模擬結(jié)果如表1所示:從表1可以看出:施加鎖腳錨桿的效果好于系統(tǒng)錨桿.施加鎖腳錨桿后結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為1.44,比施加系統(tǒng)錨桿高0.4 拱頂?shù)某两当仁┘酉到y(tǒng)錨桿小18mm 拱腳的水平位移比施加系統(tǒng)錨桿小18mm.

表 1 安全系數(shù)及拱頂和拱腳位移值

2號(hào)節(jié)點(diǎn)(拱腳)Ux 0.00085 0.00067

4 結(jié)論

(1)本文從定量的角度分析黃土隧道系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿的錨固效果,發(fā)現(xiàn)黃土隧道中系統(tǒng)錨桿的效果不佳,可用鎖腳錨桿代替.

(2)在黃土隧道施工中,由于圍巖本身因素和現(xiàn)場(chǎng)施工條件,系統(tǒng)錨桿的施工質(zhì)量以及作用效果并不能保證,且耗時(shí)耗力,易造成不必要的浪費(fèi).因此鎖腳錨桿(管)的作用則更加明顯.

(3)本文對(duì)圍巖的超前支護(hù)采取改進(jìn)的提高圍巖力學(xué)參數(shù)的方法,且并未分析這個(gè)過(guò)程對(duì)系統(tǒng)錨桿作用的影響.可能會(huì)導(dǎo)致誤差.這一部分有待深入研究.