鎖腳錨桿對(duì)軟巖隧道支護(hù)的有限元數(shù)值模擬

侯代英,李振雨,李政興,馬東東

（中交一公局集團(tuán)有限公司,北京 100024）

0 引言

在實(shí)際工程中，軟巖隧道支護(hù)是隧道支護(hù)的一個(gè)難題，這是由于軟巖自身所具有的遇水易軟化、變形大且強(qiáng)度低等的缺點(diǎn)。由于軟巖的這些缺點(diǎn)，給設(shè)計(jì)和施工帶來了一定的困難，而且會(huì)在一定程度上影響隧道的長期穩(wěn)定性。

為了解決軟巖問題，我國學(xué)者做了大量的研究[1-4]，這些研究對(duì)實(shí)際工程問題的解決提供了有力支持。近年來，中國學(xué)者以實(shí)際工程為背景對(duì)軟巖隧道的具體問題進(jìn)行了分析[5-7]，蒙浩[8]以某地特長軟巖公路隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，分析和闡述了隧道主導(dǎo)思路設(shè)計(jì)與工程施工的技術(shù)手段，為類似的工程施工建設(shè)具有一定的指導(dǎo)作用和參考價(jià)值。宋洋等[9]建立了一個(gè)基于軟巖的流變特性的隧道模型，在地震荷載的作用下并利用三維有限差分軟件FLAC3D軟件，分析了不同支護(hù)剛度條件下圍巖變形和支護(hù)體應(yīng)力情況。

該文以臨渭高速公路某隧道為研究對(duì)象，對(duì)軟巖區(qū)域工程地質(zhì)資料和支護(hù)參數(shù)開展監(jiān)測(cè)分析，在現(xiàn)有的隧道工程建設(shè)和文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上調(diào)查、檢索、學(xué)習(xí)，并應(yīng)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段，對(duì)軟弱圍巖段支護(hù)體系進(jìn)行靜力狀態(tài)分析，對(duì)不同工況的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)并提出合理的支護(hù)措施。

1 有限元模擬

1.1 工程背景

該研究依托工程某軟巖隧道，該隧道的建筑限界凈空凈寬為13.428 2 m、凈高7.11 m。隧道采用單心圓（凈面積A=79.02 m2），選用錨索和錨桿兩種支護(hù)方法進(jìn)行支護(hù)，以鋼筋網(wǎng)、濕噴混凝土等結(jié)合錨索或者錨桿作為初期支護(hù)，形成內(nèi)復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)；并以鋼拱架、超前大管棚、鋼格柵、注漿和超前錨桿等措施作為輔導(dǎo)設(shè)施，使圍巖能夠發(fā)揮自身的承載能力；接下來進(jìn)行初期支護(hù)和二次模筑襯砌的施工，以便指導(dǎo)施工，應(yīng)在施工過程中全程監(jiān)控量測(cè)。通過理論計(jì)算分析并結(jié)合類似工程的經(jīng)驗(yàn)，確定初期支護(hù)參數(shù)，隧道洞身段的進(jìn)洞口采用超前管棚結(jié)構(gòu)。為了更好地指導(dǎo)隧道施工，監(jiān)測(cè)監(jiān)控支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇在隧道的左線，所在位置的圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

1.2 邊界條件

位移邊界條件為：左、右邊界的水平方向位移為0，即U2=0，下邊界的位移邊界條件為固定邊界U1=U2=0，上邊界為自由邊界。

應(yīng)力邊界條件為：由于工程的復(fù)雜性和多變性，在數(shù)值模擬過程中采用以下假定：隧道周圍的土體和巖體為均質(zhì)體，忽略場(chǎng)地內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)的影響。通過計(jì)算取垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力為側(cè)壓系數(shù)與垂直應(yīng)力乘積，即其中K0為土的側(cè)壓系數(shù)。

1.3 建立模型

模型所采用的有限元軟件為Midas/GTS，取隧道埋深為：80.298 3 m的位置，在模擬區(qū)域的選擇上，向左、右、下方向各取30 m，上部按工程勘察資料選取80.298 3 m。土層及其參數(shù)如表1所示，模擬過程中，巖體的本構(gòu)模型采用摩爾庫侖模型。在模擬復(fù)合襯砌的開挖過程中，考慮建立動(dòng)態(tài)施工過程，建模過程中，使用桿單元模擬錨桿，使用殼體結(jié)構(gòu)單元模擬襯砌，襯砌厚度為30 cm。二次襯砌需要控制其變形，采用彈性模型進(jìn)行模擬，混凝土噴涂層厚度為45 cm。考慮隧道的結(jié)構(gòu)形式，想要得到可靠的計(jì)算結(jié)果，在內(nèi)部劃分細(xì)密，隧道內(nèi)及周圍采用細(xì)密網(wǎng)格劃分，然后向外延伸，在外圍做劃分網(wǎng)格的輔助圓，相應(yīng)的網(wǎng)格單元如圖1所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，提取出相關(guān)的材料參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算模型參數(shù)

1.4 開挖施工階段模擬

施工過程所選用兩種支護(hù)方法，即系統(tǒng)錨桿支護(hù)和鎖腳錨桿支護(hù)，實(shí)際施工過程中，系統(tǒng)錨桿每個(gè)階段的施工步序包括開挖和施工襯砌，主要為：初始階段→上部開挖階段和上部初襯→中部開挖和中部襯砌→下部開挖和下部初襯→二次襯砌和下部回填。

鎖腳錨桿支護(hù)的施工步序?yàn)椋撼跏茧A段→上部開挖階段和上部初襯→中部開挖和中部襯砌→下部開挖和下部初襯→二次襯砌和下部回填。

2 數(shù)值模擬結(jié)果比分析

2.1 總位移的施工階段數(shù)值模擬

2.1.1 加系統(tǒng)錨桿的施工階段模擬

將該次模擬的系統(tǒng)錨桿穩(wěn)定的位移結(jié)果情況作對(duì)比，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)錨桿總位移的數(shù)值模擬

從圖2可以看出其最大位移發(fā)生的位置在拱頂和仰拱的位置。這樣對(duì)于拱頂和仰拱位置的支護(hù)要求比較高。

2.1.2 加鎖腳錨桿的施工階段模擬

將該次模擬的鎖腳錨桿穩(wěn)定的位移結(jié)果情況作對(duì)比，如圖3所示。

圖3 鎖腳錨桿總位移的數(shù)值模擬

從圖3可以看出，總位移變化最大的位置在鎖腳錨桿的另一端，即在加鎖腳錨桿后，軟巖通過鋼架把力傳遞給鎖腳錨桿，由于鋼架的剛度大，導(dǎo)致拱頂?shù)奈灰葡鄬?duì)鎖腳錨桿端部的位移較小。

通過有限元模擬對(duì)拱頂?shù)奈灰茦?biāo)記記錄其在各個(gè)施工階段的位移變化規(guī)律，對(duì)比系統(tǒng)錨桿與鎖腳錨桿支護(hù)下軟巖隧道的拱頂總位移隨開挖階段的變化曲線，其變化如圖4所示。

圖4 鎖腳錨桿和系統(tǒng)錨桿的各施工階段總位移變化規(guī)律

從圖4可以看出系統(tǒng)錨桿支護(hù)和鎖腳錨桿支護(hù)的總位移的變化規(guī)律，各階段錨索支護(hù)的位移相對(duì)于錨桿支護(hù)較大，但都滿足設(shè)計(jì)要求。從前面這些圖可以看出，錨桿支護(hù)的軟巖隧道最大拱頂位移0.034 1 mm，鎖腳錨桿支護(hù)軟巖隧道最大拱頂位移為0.039 51 m，兩者都滿足最小變形的要求，但相對(duì)于其各自的支護(hù)方式，系統(tǒng)錨桿的材料用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)比鎖腳錨桿多，使用錨索比較經(jīng)濟(jì)，很大程度上節(jié)約了材料。

2.2 垂直位移的施工階段數(shù)值模擬

2.2.1 加系統(tǒng)錨桿的總位移

將該次模擬結(jié)果中圍巖穩(wěn)定后的垂直位移情況作對(duì)比，如圖5所示。

觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)錨桿的支護(hù)下，軟巖隧道的最大位移位置出現(xiàn)在拱頂，上拱頂?shù)某两底畲螅卵龉俺霈F(xiàn)的最大上凸位移。

圖5 千斤頂反力座模型

2.2.2 加鎖腳錨桿的垂直位移

將該次模擬結(jié)果巖穩(wěn)定后的垂直位移情況作對(duì)比，如圖6所示。

圖6 鎖腳錨桿垂直位移的數(shù)值模擬

從圖6可以看出在鎖腳錨桿支護(hù)方式下隧道開挖隧道的垂直位移的特點(diǎn)，最大位移發(fā)生的位置不在拱頂，而在鎖腳錨桿支護(hù)的另一端。

通過有限元Midas GTS NX進(jìn)行模擬，并記錄了軟巖隧道拱頂?shù)呢Q向位移在不同施工階段的變化規(guī)律，其變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 錨索支護(hù)的各施工階段垂直位移變化規(guī)律

從圖7可以看出系統(tǒng)錨桿支護(hù)和鎖腳錨桿支護(hù)的垂直位移的變化規(guī)律，各施工階段錨桿支護(hù)的垂直位移相對(duì)于錨索支護(hù)較小，但都滿足設(shè)計(jì)要求。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，采用錨桿支護(hù)產(chǎn)生最大垂直位移為?0.034 2 mm，而采用錨索支護(hù)產(chǎn)生的最大垂直位移為?0.039 4 mm，鎖腳錨桿支護(hù)和錨桿支護(hù)都滿足設(shè)計(jì)要求，從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，系統(tǒng)錨桿的數(shù)量和用材要比鎖腳錨桿多；因此使用錨索更加經(jīng)濟(jì)適用。

3 結(jié)論

該文通過有限元軟件對(duì)某高速公路隧道所采用的兩種支護(hù)方式進(jìn)行對(duì)比分析，研究鎖腳錨桿支護(hù)和系統(tǒng)錨桿支護(hù)在滿足承載要求和變形要求的前提下更經(jīng)濟(jì)適用。根據(jù)模擬結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，錨桿支護(hù)和鎖腳錨桿支護(hù)下的拱頂最大位移和隧道斷面最大垂直位移均能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但鎖腳錨桿的材料用量遠(yuǎn)小于系統(tǒng)錨桿較為經(jīng)濟(jì)。

（2）從發(fā)生最大的位移的位置，可以看出系統(tǒng)錨桿支護(hù)最大位移發(fā)生的位置在拱頂和仰拱處，而鎖腳錨桿支護(hù)產(chǎn)生的最大位移在鎖腳錨桿支護(hù)的另一端。對(duì)比產(chǎn)生最大位移的位置發(fā)現(xiàn)，鎖腳錨桿支護(hù)另一端的位移相對(duì)于發(fā)生在拱頂和仰拱的位置對(duì)隧道的影響較小，而發(fā)生在鎖腳支護(hù)另一端的位移對(duì)正常的施工和運(yùn)行沒有較大的影響，發(fā)生在拱頂和仰拱的位置會(huì)直接影響施工和隧道的正常運(yùn)行。