不同開(kāi)挖進(jìn)尺下隧道噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

谷莉薇

（山西省交通開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

引言

支護(hù)結(jié)構(gòu)是保證隧道開(kāi)挖過(guò)程安全的最重要前提，針對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力分析，國(guó)內(nèi)已有不少學(xué)者應(yīng)用各種手段，包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬等方式展開(kāi)了大量研究工作[1-3]。噴錨支護(hù)也是現(xiàn)有公路隧道最常見(jiàn)的支護(hù)方式之一[4-5]。

1 工程概況

隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，隧道圍巖等級(jí)低，上層土為風(fēng)化土，中層主要為風(fēng)化巖，下層圍巖巖性主要為千枚巖，薄層片狀構(gòu)造并帶有絲絹光澤，片理產(chǎn)狀320～350∠40～50，巖體碎裂，節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理多為張節(jié)理，抗風(fēng)化能力差、自穩(wěn)能力差，巖體易沿片理傾向坍落，施工風(fēng)險(xiǎn)極高，圍巖等級(jí)為V級(jí)。

2 模型建立及參數(shù)

2.1 隧道模型建立

假定圍巖性質(zhì)為連續(xù)、均質(zhì)及各向同性，初始地應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力，即σz=γH，采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則[6]。初期支護(hù)中噴射混凝土采用2D板單元模擬；錨桿采用1D植入式桁架單元模擬；巖體采用3D實(shí)體單元模擬。

本次計(jì)算區(qū)域橫向120 m、豎向80 m、縱向30 m，模型方向規(guī)定：隧道開(kāi)挖方向?yàn)閅軸正向，豎直向下為Z軸正向，隧道掘進(jìn)橫斷面向左方向?yàn)閄軸正向，數(shù)值模型見(jiàn)圖1。模型邊界X、Y方向位移面施加約束；底部邊界Z方向位移面施加約束；模型高度范圍有三層土體，第一層土為風(fēng)化土，厚度為7.5 m； 第二層土為風(fēng)化巖，厚度為17.5 m；第三層土為軟巖，厚度為55 m。采用噴錨支護(hù)的方式，錨桿采用2×1.8 m的間距布置。隧道斷面尺寸、模型實(shí)體單元及結(jié)構(gòu)單元示意見(jiàn)圖1～圖2。分別取1.0 m、1.5 m、 2.0 m、3.0 m四種開(kāi)挖進(jìn)尺。

圖1 隧道斷面尺寸/mm

圖2 實(shí)體單元

2.2 模型參數(shù)

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70—2010）[7]，隧道的圍巖參數(shù)見(jiàn)表1，支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 模型計(jì)算土層物理力學(xué)指標(biāo)

表2 噴錨支護(hù)材料參數(shù)

2.3 數(shù)值分析工況

利用Midas/GTS中的施工階段分析功能設(shè)置開(kāi)挖進(jìn)尺為1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m四種分析工況，工況設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 工況設(shè)計(jì)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 錨桿軸力分析

導(dǎo)出錨桿軸力受力情況見(jiàn)圖3。

圖3 錨桿軸力受力（開(kāi)挖進(jìn)尺：1.5 m）

由圖3可以看出，錨桿軸力由桿頭至桿尾逐漸增大。隧道錨桿軸力沿隧道中軸線左右基本呈對(duì)稱分布，且拱頂處錨桿軸力值較小，但并不是最小值，錨桿軸力最小值位于隧道拱肩處，拱腰處錨桿軸力值最大。錨桿軸力最大值為51.45 kN，最小值為13.68 kN。

分析不同進(jìn)尺開(kāi)挖過(guò)程中錨桿軸力變化情況，受篇幅限制，僅分析3 m開(kāi)挖進(jìn)尺下S1、S6、S11的錨桿軸力。根據(jù)模擬結(jié)果，錨桿軸力最大值位于隧道拱腰處，最小值位于隧道拱肩處；且發(fā)現(xiàn)隨著開(kāi)挖步數(shù)的增加，處于隧道面同一位置不同開(kāi)挖長(zhǎng)度處的錨桿其軸力最大值逐漸往后移，至開(kāi)挖貫通后錨桿軸力最大值位于S11開(kāi)挖斷面。錨桿軸力最大值位置的后移并不意味著位于開(kāi)挖步數(shù)前的同位置處錨桿軸力有所減小，S11開(kāi)挖之后，位于S1拱腰處的錨桿軸力值為38.44 kN，大于S1開(kāi)挖后同位置處的錨桿軸力值26.6 kN。因此，可以認(rèn)為隨著隧道開(kāi)挖步數(shù)，錨桿軸力值在不斷增大。

分析不同開(kāi)挖進(jìn)尺下錨桿軸力最大值變化，見(jiàn)圖4。

圖4 錨桿軸力最大值變化

由圖4可知：（1）開(kāi)挖S1后，1.0 m、1.5 m、2.0 m、 3.0 m的錨桿軸力最大值分別為16.49 kN、18.63 kN、 22.47 kN、26.68 kN，可以發(fā)現(xiàn)初始開(kāi)挖下，開(kāi)挖進(jìn)尺越大，錨桿軸力最大值也越大。隨著開(kāi)挖步數(shù)的進(jìn)行，錨桿軸力最大值也在不斷增大。且仍存在開(kāi)挖進(jìn)尺越大，錨桿軸力最大值越大的情況。（2）四種開(kāi)挖進(jìn)尺下，在開(kāi)挖至最后一進(jìn)尺時(shí)，錨桿軸力最大值均發(fā)生了突變，最后保持穩(wěn)定。分析認(rèn)為在開(kāi)挖貫通后，隧道圍巖應(yīng)力重分布變化較大，從而出現(xiàn)了錨桿軸力最大值甚至隧道錨桿整體軸力值均發(fā)生了一次迅速增大的突變，直至穩(wěn)定。

3.2 噴混受力分析

分析噴混結(jié)構(gòu)受力情況，導(dǎo)出噴混結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力見(jiàn)圖5。

圖5 噴混結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布（開(kāi)挖進(jìn)尺：1.5 m）

由圖5可以看出：（1）噴混結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力中最大拉應(yīng)力為3.82×103kN/m2，最大壓應(yīng)力為1.52×103kN/m2。（2）在噴混結(jié)構(gòu)的拱腳處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，在開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程應(yīng)著重注意結(jié)構(gòu)拱腳處受力變形情況。

為了分析開(kāi)挖過(guò)程不同開(kāi)挖進(jìn)尺下噴混的受力情況，受篇幅限制，僅分析2 m開(kāi)挖進(jìn)尺下S2、S8、S16的錨桿軸力。根據(jù)模擬結(jié)果，噴混結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力隨著開(kāi)挖進(jìn)尺在不斷增大，且在結(jié)構(gòu)拱腳處應(yīng)力集中現(xiàn)象始終在開(kāi)挖過(guò)程中存在。因此，分析不同開(kāi)挖進(jìn)尺下開(kāi)挖過(guò)程中噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力值變化情況，繪制圖6。

圖6 噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力變化

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，不同開(kāi)挖進(jìn)尺的噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力隨著開(kāi)挖步數(shù)的進(jìn)行均呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，且增大幅度在逐漸減緩。開(kāi)挖S1后，1.0 m、1.5 m、 2.0 m、3.0 m的噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力值分別為 1.58 kN/m2、2.31 kN/m2、2.12 kN/m2、2.61×103kN/m2， 可以發(fā)現(xiàn)初始開(kāi)挖下，開(kāi)挖進(jìn)尺越大，噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力也越大，但隨著開(kāi)挖步數(shù)進(jìn)行，開(kāi)挖進(jìn)尺越小，噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力越大。開(kāi)挖結(jié)束后1.0 m進(jìn)尺的噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力值最大，為4.48 kN/m2；3.0 m 進(jìn)尺的噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力值最小，為2.82 kN/m2；1.5 m和2.0 m開(kāi)挖進(jìn)尺的噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力值相差較小。因此，開(kāi)挖進(jìn)尺越大，噴混結(jié)構(gòu)整體性越好，噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力越小，越有利于減小拱腳應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）錨桿軸力由桿頭至桿尾逐漸增大，拱頂處錨桿軸力值較小，最小值位于隧道拱肩處，最大值位于拱腰處。（2）開(kāi)挖S1后，開(kāi)挖進(jìn)尺越大，錨桿軸力最大值也越大，且隨著開(kāi)挖步數(shù)的進(jìn)行，錨桿軸力最大值也在不斷增大。（3）四種開(kāi)挖進(jìn)尺下，在開(kāi)挖至最后一進(jìn)尺后，因隧道圍巖應(yīng)力重分布變化較大，錨桿軸力最大值甚至隧道錨桿整體軸力值均發(fā)生突變，最后趨于穩(wěn)定。（4）噴混結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力隨著開(kāi)挖步數(shù)在不斷增大，增大幅度在逐漸減緩，且在結(jié)構(gòu)拱腳處應(yīng)力集中現(xiàn)象始終在開(kāi)挖過(guò)程中存在；開(kāi)挖進(jìn)尺越大，噴混結(jié)構(gòu)整體性越好，噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力越小，越有利于減小拱腳應(yīng)力集中現(xiàn)象。