秦 世 華

(運(yùn)城至靈寶高速公路建設(shè)管理處,山西 運(yùn)城 044000)

深埋隧道桿系支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性數(shù)值分析

秦 世 華

(運(yùn)城至靈寶高速公路建設(shè)管理處,山西 運(yùn)城 044000)

依托中條山特長(zhǎng)公路隧道工程，采用有限差分軟件FLAC3D，以深埋段為研究對(duì)象，對(duì)各工況(有無鎖腳錨桿、有無超前導(dǎo)管)圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明：鎖腳錨桿的設(shè)置對(duì)拱頂沉降及收斂位移的控制有明顯作用；超前導(dǎo)管設(shè)置與否對(duì)圍巖變形以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力基本無影響，但能提高掌子面前方土體穩(wěn)定性。

深埋隧道，鎖腳錨桿，超前導(dǎo)管，變形，受力

0 引言

隧道桿系支護(hù)結(jié)構(gòu)(錨桿、超前導(dǎo)管等)在調(diào)整結(jié)構(gòu)受力及控制地層變形等方面有顯著作用。其中，隧道中的鎖腳錨桿主要是防止拱腳收縮或掉拱。進(jìn)行分步開挖時(shí)，在上一開挖步開挖支護(hù)完成，下一開挖步開挖前，采用在已施作拱架連接處兩側(cè)斜向下打入錨桿。錨桿即可起到穩(wěn)定懸臂梁的作用，給上部結(jié)構(gòu)支撐作用，同時(shí)錨固在巖土體中錨桿與拱架聯(lián)合作用，可抑制水平收斂。

超前導(dǎo)管是隧道工程掘進(jìn)施工過程中的一種工藝方法，主要用于自穩(wěn)時(shí)間短的軟弱破碎帶、淺埋段、洞口偏壓段等地段的預(yù)支護(hù)。其主要作用是對(duì)圍巖進(jìn)行加固，保證工作面前方土體的穩(wěn)定性。

國(guó)內(nèi)學(xué)者羅彥斌等[1]以包茂線西康高速公路包家山特長(zhǎng)公路隧道為依托，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論推導(dǎo)方法，建立了鋼架和鎖腳錨桿力學(xué)計(jì)算模型，并給出了鎖腳錨桿彎矩分布圖。徐晨[2]、張濤[3]采用數(shù)值模擬方法分析了鎖腳錨桿(管)在不同打設(shè)角度、不同長(zhǎng)度、不同數(shù)量等方面對(duì)隧道周邊圍巖變形的影響，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)鎖腳錨桿作用進(jìn)行了驗(yàn)證。黃明琦[4]依托廈門海底隧道，建立了鎖腳錨桿力學(xué)分析模型，系統(tǒng)地研究了軟弱破碎圍巖地段鎖腳錨桿受力和變形規(guī)律。姜軍[5]針對(duì)達(dá)陜高速公路金竹山隧道中超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度過短帶來的問題，研究了一種快速便捷、安全可靠的超長(zhǎng)超前支護(hù)施工的方法。張國(guó)榮等[6]根據(jù)超前導(dǎo)管注漿工藝的原理，結(jié)合工程實(shí)例將超前導(dǎo)管高壓注漿技術(shù)應(yīng)用于不良地質(zhì)缺陷處置。李東勇等[7]采用數(shù)值模擬方法，研究了不同超前導(dǎo)管注漿范圍對(duì)圍巖變形的影響規(guī)律。

本文以中條山特長(zhǎng)公路隧道深埋圍巖段為研究對(duì)象，采用有限差分模擬方法，對(duì)不同工況下鎖腳錨桿、超前導(dǎo)管的功效及受力特性進(jìn)行分析。

1 工程概況

中條山隧道最大埋深約540 m。該段地層主要由太古界涑水群表殼巖組合解州片麻巖(Hgn)地層組成，此段組成隧道的圍巖巖性主要為花崗片麻巖、變粒巖等。巖層產(chǎn)狀整體傾向南東，傾角介于50°～70°之間。該段地層巖性復(fù)雜，組合無規(guī)律，構(gòu)成中條山隧道分水嶺北側(cè)的主體。

由于該段圍巖軟弱破碎，故采用SVc型加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌，超前支護(hù)各環(huán)采用φ42，4 mm厚注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)4.5 m，搭接長(zhǎng)度1.3 m，環(huán)向間距35 cm，斜插角10°～15°。鋼拱架為Ⅰ20a型鋼拱架，縱向間距0.75 m，環(huán)形間距1.0 m。鎖腳錨桿采用φ22螺紋鋼，長(zhǎng)3.5 m，在中臺(tái)階拱腳、下臺(tái)階邊墻腳各打設(shè)2根；C25噴射混凝土厚度26 cm。二次襯砌和仰拱C30鋼筋混凝土厚度50 cm。

2 數(shù)值模型

采用大型有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行建模分析。為簡(jiǎn)便計(jì)算，采用1/2模型計(jì)算，計(jì)算范圍為60 m×60 m×140 m(X×Y×Z)。模型中圍巖均采用摩爾庫(kù)侖材料，初支噴射混凝土為線彈性體，采用梁?jiǎn)卧M；鎖腳錨桿和超前導(dǎo)管均采用樁單元模擬；二襯和仰拱混凝土均采用殼單元模擬。初期支護(hù)鋼拱架和鋼筋網(wǎng)片支護(hù)效果采用等效方法，將兩者彈性模量折算給混凝土[8,9]，材料及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見表1。

支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖1所示，計(jì)算模型如圖2所示。

圖1中，超前注漿小導(dǎo)管沿環(huán)向布置37根。鎖腳錨桿分別在兩側(cè)拱腳和邊墻腳設(shè)置2根，共計(jì)8根。

為揭示鎖腳錨桿、超前導(dǎo)管的作用效能，本文對(duì)有無鎖腳錨桿、有無超前導(dǎo)管共計(jì)3個(gè)工況進(jìn)行了對(duì)比分析，各工況支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置如表2所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析及方案比選

表2 計(jì)算工況

為揭示隧道桿系支護(hù)結(jié)構(gòu)的功效及受力特性，下面對(duì)不同工況下典型斷面圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 鎖腳錨桿效果分析

為揭示鎖腳錨桿的作用效能，選取工況一和工況三，工況一不設(shè)置鎖腳錨桿，工況三設(shè)置鎖腳錨桿。開挖至典型斷面時(shí)，兩種工況下典型斷面處拱頂沉降、收斂位移與開挖步關(guān)系曲線如圖3，圖4所示。

從圖3，圖4可看出，鎖腳錨桿的設(shè)置對(duì)拱頂沉降及收斂位移的控制有明顯作用。從圖3可看出，設(shè)置鎖腳錨桿后，待開挖完畢之后，拱頂沉降比未設(shè)置時(shí)減小了約21.5%，從圖4可看出，設(shè)置鎖腳錨桿后，待開挖完畢之后，收斂位移比未設(shè)置時(shí)減小了約12.5%。這說明，鎖腳錨桿的設(shè)置，既能起到邊墻錨桿的作用，又能有效約束左右側(cè)圍巖向隧道內(nèi)變形，對(duì)上部襯砌結(jié)構(gòu)起支撐作用。

3.2 超前導(dǎo)管效果分析

選取工況二和工況三，工況二不設(shè)置超前導(dǎo)管，工況三設(shè)置超前導(dǎo)管。通過對(duì)各工況塑性區(qū)分布分析，可以看出，設(shè)置超前導(dǎo)管后，掌子面處的破壞區(qū)域分布明顯比未設(shè)置超前導(dǎo)管時(shí)小。由此推斷超前導(dǎo)管的設(shè)置有利于掌子面的穩(wěn)定。

采用兩種工法開挖完畢直至穩(wěn)定后，初襯、超前導(dǎo)管以及錨桿受力情況如表3所示。

表3 支護(hù)受力表

表3顯示，超前導(dǎo)管與鎖腳錨桿以及系統(tǒng)錨桿的作用機(jī)理不同，其最大軸力表現(xiàn)為壓應(yīng)力。其主要作用是對(duì)圍巖進(jìn)行加固，保證工作面前方土體穩(wěn)定性。超前導(dǎo)管設(shè)置與否對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力基本無影響。

4 結(jié)語

通過對(duì)不同工況(有無鎖腳錨桿、有無超前導(dǎo)管)圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行數(shù)值分析，得出以下結(jié)論：

1)鎖腳錨桿的設(shè)置對(duì)拱頂沉降及收斂位移的控制有明顯作用。既能有效約束左右側(cè)圍巖向隧道內(nèi)變形，起到邊墻錨桿的作用，又能對(duì)上部襯砌結(jié)構(gòu)起支撐作用，在本例中，由于鎖腳錨桿承受拉應(yīng)力作用，故其主要抑制圍巖向隧道內(nèi)變形。

2)超前導(dǎo)管設(shè)置與否對(duì)圍巖變形以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力基本無影響，但其能對(duì)圍巖進(jìn)行加固，保證工作面前方土體穩(wěn)定性。

[1] 羅彥斌,陳建勛.軟弱圍巖隧道鎖腳錨桿受力特性及其力學(xué)計(jì)算模型[J].巖土工程學(xué)報(bào),2013,35(8):1519-1525.

[2] 徐 晨.軟弱圍巖隧道中鎖腳錨桿支護(hù)效果研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2010.

[3] 張 濤.軟弱圍巖隧道鎖腳錨桿(管)支護(hù)特性研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2011.

[4] 黃明琦.鎖腳錨桿作用機(jī)理及其在廈門翔安隧道中的應(yīng)用研究[J].鐵道建筑技術(shù),2009(7):86-89.

[5] 姜 軍.軟弱圍巖隧道的超長(zhǎng)超前導(dǎo)管施工技術(shù)[J].價(jià)值工程,2012(34):126-127.

[6] 張國(guó)榮,古 軍.超前導(dǎo)管高壓注漿技術(shù)在隧道不良地質(zhì)段塌方處理中的應(yīng)用[J].價(jià)值工程,2012(6):97-98.

[7] 李東勇,徐禎祥,侯慶華.暗挖隧道超前導(dǎo)管注漿對(duì)地層位移影響規(guī)律的研究[J].鐵道建筑,2007(8):34-37.

[8] JTG D70—2004,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9] 王石春.隧道工程巖體分級(jí)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2007.

Numerical analysis of framed support structure of deep buried tunnel

Qin Shihua

(Yuncheng-LingbaoExpresswayConstructionManagement,Yuncheng044000，China)

Based on Zhongtiaoshan extra-long highway tunnel engineering, applying finite difference software FLAC3D, taking deep buried tunnel section as the research target, the paper analyzes surround rock deformation with and without feet-lock bolt and advanced conduit and bearing structure stress. Research results show that: setting foot-lock bolt has obvious role for controlling top arch subsidence and convergence displacement, whether setting advanced conduit or not has no impact for surrounding rock deformation and bearing structure stress, but can improve soil stability of working face.

deep buried tunnel, foot-lock bolt, advanced conduit, deformation, stress

2015-01-17

秦世華(1966- )，男，高級(jí)工程師

1009-6825(2015)09-0166-02

TU457

A