陳常宇 蔣一波 楊 俊 韓龍強(qiáng) 李志鵬

(1.中電建路橋集團(tuán)有限公司；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院；3.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

洛帶古鎮(zhèn)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與受力特性研究

陳常宇1蔣一波1楊 俊1韓龍強(qiáng)2,3李志鵬2,3

(1.中電建路橋集團(tuán)有限公司；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院；3.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

針對(duì)洛帶古鎮(zhèn)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力問(wèn)題，先運(yùn)用“同濟(jì)曙光-公路隧道設(shè)計(jì)系統(tǒng)”對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，然后利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究。以Ⅳ級(jí)圍巖段為例，選取一研究斷面，分析該斷面的圍巖位移、錨桿軸力及襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性隨施工進(jìn)行的變化規(guī)律。結(jié)果顯示：在施工過(guò)程中，隨著開(kāi)挖面與研究斷面距離的增大，圍巖位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力均有一定程度增長(zhǎng)，且在隧道仰拱與拱腳相接處附近容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)給予重點(diǎn)考慮；但總體來(lái)說(shuō)，圍巖位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的絕對(duì)值均較小，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，支護(hù)設(shè)計(jì)方案可以滿(mǎn)足隧道安全要求。

隧道 支護(hù)結(jié)構(gòu) 數(shù)值計(jì)算 受力特性

在隧道施工過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)、施工以及復(fù)雜的地質(zhì)條件等原因，常出現(xiàn)變形、破壞，甚至坍塌等地質(zhì)災(zāi)害[1]。為了保護(hù)施工人員的安全，減少?lài)?guó)家經(jīng)濟(jì)損失，有必要通過(guò)一定方法認(rèn)識(shí)和掌握隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的受力特征和變形趨勢(shì)。

隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)一般均由噴射混凝土、防水層和二次襯砌混凝土組成，即傳統(tǒng)的整體模筑混凝土襯砌和復(fù)合式襯砌[2]。目前對(duì)于各種復(fù)雜建設(shè)條件下的隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析問(wèn)題，數(shù)值模擬分析方法[3-4]仍是最常用的方法之一，已有很多專(zhuān)家學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)隧道穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了研究分析[5-10]。本文針對(duì)洛帶古鎮(zhèn)隧道的圍巖特性，運(yùn)用同濟(jì)曙光軟件對(duì)隧道支護(hù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)算，利用FLAC3D軟件分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的受力變形特性，以期對(duì)指導(dǎo)隧道施工具有一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

表1 隧道圍巖參數(shù)

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

“同濟(jì)曙光-公路隧道設(shè)計(jì)系統(tǒng)”用于計(jì)算公路隧道在設(shè)計(jì)荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。該系統(tǒng)由公路隧道設(shè)計(jì)軟件主程序(前、后處理)和計(jì)算程序組成，功能十分強(qiáng)大，運(yùn)用此系統(tǒng)對(duì)洛帶古鎮(zhèn)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，為了保證隧道的安全性，隧道支護(hù)采用初襯加二襯的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初襯為C20混凝土，厚22 cm，鋪設(shè)A8鋼筋網(wǎng)；縱向和環(huán)向布設(shè)間距均為1 m的3 m長(zhǎng)錨桿；二襯為40 cm厚混凝土。以《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)[11]、《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70—2010)[12]為依據(jù)，利用“同濟(jì)曙光-公路隧道設(shè)計(jì)系統(tǒng)”對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行初步穩(wěn)定性驗(yàn)算。圖1為支護(hù)斷面模型圖，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，研究斷面處的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力值均較??；另外根據(jù)錨桿承載力驗(yàn)算結(jié)果可知，錨桿最大軸力約為18.28 kN，且中部軸力大、兩端軸力小，受力合理，說(shuō)明此支護(hù)方案合理可行。按照該支護(hù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)實(shí)際施工過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行具體分析。

圖1 斷面模型

單元ID最大軸力N/kN最大彎矩M/(kN·m)最大剪力Q/kN110392.143.071.28131374.82-73.48-5.2592363.58-20.3490.98

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

3.1 模型建立

為研究洛帶古鎮(zhèn)隧道穩(wěn)定性和驗(yàn)證支護(hù)效果，采用FLAC3D有限差分程序進(jìn)行施工數(shù)值仿真模擬[13-14]。巖土體本構(gòu)關(guān)系模型采用Mohr-Coulomb模型，其中巖石力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1，支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

模型尺寸為72.4 m×54 m×49 m(X×Y×Z)，考慮邊界效應(yīng)，計(jì)算模型的下邊界施加數(shù)值方向的約束，前后邊界施加Y向的水平約束，左右邊界施加X(jué)向的水平約束。計(jì)算中只考慮自重作用，忽略構(gòu)造應(yīng)力，模型上部施加地表至隧道-70 m深的巖體自重1.61 MPa。數(shù)值模型見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算模型

在數(shù)值仿真模擬過(guò)程中，分別采用liner單元和cable單元模擬隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的襯砌和錨桿。利用順序建模的方式實(shí)現(xiàn)隧道的開(kāi)挖和支護(hù)，通過(guò)“空單元”命令實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖，同時(shí)建立結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)支護(hù)效果，支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬見(jiàn)圖3。

3.2 模擬結(jié)果分析

以距洞口1.5 m處研究斷面為例，在該斷面上布設(shè)特征點(diǎn)(圖4)，對(duì)圍巖拱頂沉降和周邊收斂、襯砌的第一主應(yīng)力和彎矩、錨桿軸力等變形和受力特征隨掌子面推移的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。

圖3 襯砌及錨桿模擬

圖4 研究斷面的特征點(diǎn)分布

3.2.1 圍巖變形特征分析

3.2.1.1 拱頂沉降

以1#特征點(diǎn)豎向位移曲線(xiàn)為對(duì)象，研究隧道該斷面處的拱頂沉降(圖5)?？芍?，隨著研究斷面與開(kāi)挖面距離的增大，1#特征點(diǎn)的豎向位移也逐漸變大，但增加的速度越來(lái)越小。當(dāng)斷面與掌子面距離超過(guò)31.5 m時(shí)，隧道拱頂?shù)某两抵祷沮呌诜€(wěn)定，最終沉降值約7.7 mm。

圖5 拱頂沉降值變化曲線(xiàn)

3.2.1.2 周邊收斂

該斷面的周邊收斂曲線(xiàn)(即2#特征點(diǎn)和3#特征點(diǎn)的相對(duì)橫向位移曲線(xiàn))如圖6所示。可以看出，2#和3#特征點(diǎn)的相對(duì)橫向位移隨著距開(kāi)挖面距離的增加而逐漸增大，其位移變化速度越來(lái)越小。而當(dāng)研究斷面與開(kāi)挖面距離超過(guò)31.5 m時(shí)，兩特征點(diǎn)間相對(duì)位移變化值便基本趨于穩(wěn)定，且最終收斂值較小，約1.7 mm。

圖6 周邊收斂值變化曲線(xiàn)

3.2.2 襯砌結(jié)構(gòu)分析

3.2.2.1 水平應(yīng)力

以第一個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺范圍內(nèi)的襯砌為研究對(duì)象，Y正方向?yàn)樗淼谰蜻M(jìn)方向，該范圍內(nèi)襯砌的水平應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7。從圖7可以看出，襯砌的水平應(yīng)力隨掌子面的推進(jìn)變化不是很明顯，且各處水平應(yīng)力的絕對(duì)值都比較小。底板與拱腳相接處水平應(yīng)力最大，其次是底板，拱腳水平應(yīng)力最小。當(dāng)研究斷面距離開(kāi)挖面約16.5 m時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的水平應(yīng)力在拱頂處約117 kPa，拱腰約2.2 kPa，拱腳67 kPa，底板153 kPa，底板與拱腳相接處約433 kPa；而當(dāng)研究斷面距離開(kāi)挖面31.5 m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平應(yīng)力在拱頂處約120 kPa，拱腰約71 kPa，拱腳10 kPa，底板160 kPa，底板與拱腳相接處約614 kPa，且基本穩(wěn)定。據(jù)此可知，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力在施工過(guò)程中會(huì)不斷增加，且拱腳與底板相接處增加最大，但總體來(lái)說(shuō)其絕對(duì)值均小。

圖7 襯砌結(jié)構(gòu)水平應(yīng)力云圖(單位：kPa)

3.2.2.2 豎向應(yīng)力

同樣以第一個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺范圍內(nèi)的襯砌為研究對(duì)象，Y正方向?yàn)樗淼谰蜻M(jìn)方向，該范圍內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力云圖見(jiàn)圖8?？芍?，隨著研究斷面與開(kāi)挖面距離的增大，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的豎向應(yīng)力也逐漸增加，但增值很小。隧道仰拱與拱腳相接處由于應(yīng)力集中原因會(huì)出現(xiàn)較大的豎向應(yīng)力。當(dāng)研究斷面距離開(kāi)挖面約16.5 m時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力在拱頂處約0.42 kPa，拱腰處約17 kPa，拱腳處約37 kPa，底板處約134 kPa，而底板與拱腳相接處的豎向應(yīng)力約430 kPa；當(dāng)研究斷面距開(kāi)挖面31.5 m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力拱頂處約0.45 kPa，拱腰處約29 kPa，拱腳處約196 kPa，底板處約335 kPa，而仰拱與拱腳相接處的豎向應(yīng)力值約444 kPa，此時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定。

圖8豎向應(yīng)力云圖(單位：kPa)

3.2.2.3 最大彎矩

同樣以第一個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺范圍內(nèi)的襯砌為研究對(duì)象，Y正方向?yàn)樗淼谰蜻M(jìn)方向。該范圍內(nèi)襯砌在施工過(guò)程中最大彎矩的變化情況見(jiàn)圖9?？芍?，第一步開(kāi)挖后立即施作襯砌，由于距離掌子面很近，受掌子面處巖體的支承作用，襯砌彎矩較小且多處于正彎矩狀態(tài)，僅在邊墻與拱腳結(jié)合部分承受負(fù)彎矩。由此可知，襯砌結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力最終受初始地應(yīng)力控制，同時(shí)應(yīng)注意，隧道的拱腳及邊墻與仰拱結(jié)合處等曲率較大的部位容易引起應(yīng)力集中，在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮。

3.2.3 錨桿軸力分析

隧道開(kāi)挖過(guò)程中錨桿支護(hù)按照設(shè)計(jì)要求施作，錨桿長(zhǎng)3 m，間距為1 m×1 m(縱×環(huán))。以距研究斷面最近處的一組錨桿為研究對(duì)象，錨桿支護(hù)在掌子面向前推進(jìn)過(guò)程中軸力變化情況見(jiàn)圖10。可知，最大軸力的錨桿位于拱頂處。第一步開(kāi)挖后，錨桿施加后立即起到錨固作用，最大錨桿軸力為7.97 kN左右；而當(dāng)施工進(jìn)行到第十一步開(kāi)挖后，錨桿最大軸力為15.84 kN左右?？芍谡麄€(gè)施工過(guò)程中，研究斷面處的錨桿軸力較小，有較大的安全儲(chǔ)備，能有效控制圍巖變形。

圖9 支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩云圖(單位：kN·m)

圖10 錨桿軸力圖(單位：kN)

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)洛帶古鎮(zhèn)隧道地質(zhì)、圍巖條件，運(yùn)用“同濟(jì)曙光-公路隧道設(shè)計(jì)系統(tǒng)”設(shè)計(jì)驗(yàn)證了隧道的支護(hù)方案，并對(duì)隧道圍巖和襯砌的變形及受力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。無(wú)論是隧道拱頂沉降、周邊收斂，還是襯砌的水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力、最大彎矩和錨桿軸力，從施作開(kāi)始到基本收斂穩(wěn)定，需距掌子面約31.5 m。

(2)襯砌結(jié)構(gòu)的水平應(yīng)力是拱頂處大于拱腰及拱腳處；而豎向應(yīng)力卻是拱頂處小于拱腰及拱腳處。拱腳與仰拱相接處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，在實(shí)際施工中應(yīng)給予重點(diǎn)考慮，其他部位內(nèi)力值均較小。

(3)錨桿受力合理，且拱頂處的錨桿受力最大，但整體錨桿的受力值均較小，布設(shè)的錨桿系統(tǒng)有較大的安全系數(shù)，能有效抑制隧道圍巖的變形和破壞。

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2016-09-22)

陳常宇(1974—)，男，工程師，100048 北京市海淀區(qū)車(chē)公莊西路22號(hào)。