尚瑨

摘 要：為了驗(yàn)證二次加強(qiáng)支護(hù)方法在隧道圍巖級(jí)別較差段的支護(hù)效果，采用有限元軟件建立二維數(shù)值模型，對(duì)初次支護(hù)與二次加強(qiáng)支護(hù)后隧道的豎向變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)中的軸力和彎矩進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：簡單的添加初次支護(hù)，隧道圍巖的變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)中的軸力和彎矩較大，這支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求；二次加強(qiáng)支護(hù)后隧道圍巖變形得到很好控制，支護(hù)結(jié)構(gòu)中的軸力和彎矩大幅度減小，拱頂位移減小了7mm，仰拱位移減小7mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)中最大軸力減小了0.8MPa，最大彎矩減小了6kN·m，且分布趨于均勻，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。證明了二次加強(qiáng)支護(hù)方法的可行性以及必要性，對(duì)隧道施工起到了一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：隧道；MIDAS；數(shù)值模擬；二次加強(qiáng)支護(hù)

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.02.098

1 引言

隨著我國的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，公路建設(shè)在快速的更新和發(fā)展，隨之而來的隧道工程也在發(fā)生日新月異的變化，各種各樣的隧道也出現(xiàn)在我們的面前。由于隧道工程本身具有復(fù)雜性、不確定性以及高風(fēng)險(xiǎn)性等多重特點(diǎn)，使得隧道工程的發(fā)展面臨很大挑戰(zhàn)。大量研究成果和施工實(shí)例表明，開挖必然會(huì)引起圍巖應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致圍巖損傷破壞，影響隧道穩(wěn)定性。特別是隧道洞口段，一般埋深較淺而且往往有偏壓，巖體的承載能力極地，穩(wěn)定性較差，如果選擇的開挖、支護(hù)方法不合理，局部圍巖的坍塌是不可避免的且圍巖的破壞還可能從局部影響到整體隧道的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)均采用數(shù)值模擬方法模擬隧道開挖與支護(hù)，模擬結(jié)果說明支護(hù)對(duì)隧道的穩(wěn)定性很重要，給施工提供一定的參考價(jià)值。本文采用MIDAS大型有限元軟件建立隧道數(shù)值模型，模擬研究添加初期支護(hù)與二次加強(qiáng)支護(hù)后隧道穩(wěn)定性對(duì)比研究。結(jié)果表明，強(qiáng)化支護(hù)方法的重要性和二次加強(qiáng)支護(hù)的合理、必要性。該方法可以很好準(zhǔn)確的預(yù)測圍巖變化規(guī)律，反映真實(shí)的圍巖變化特性，有利于隧道的穩(wěn)定性。

2 工程背景及MIDAS建模

2.1 工程概況

某隧道工程DK171+072～DK171+128段由于受斷層影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石風(fēng)化嚴(yán)重，工程地質(zhì)條件較差。單洞建筑界限10.25m（凈寬）、5m（凈高）該段分布有地下水，隧道開挖時(shí)，掌子面可出現(xiàn)滴水-滲水現(xiàn)象，局部可能出現(xiàn)漏水現(xiàn)場。根據(jù)地表及掌子面調(diào)查，確定圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

針對(duì)該段性質(zhì)較差的圍巖工程，常規(guī)支護(hù)手段難以保證隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與施工過程中的安全性，因此準(zhǔn)備采用二次加強(qiáng)支護(hù)的手段進(jìn)行支護(hù)。二次加強(qiáng)支護(hù)方法即在隧道開挖結(jié)束后立即采用C25噴射混凝土及18#工字鋼梁進(jìn)行初次支護(hù)，待初次支護(hù)穩(wěn)定后再重復(fù)同樣的支護(hù)手段進(jìn)行第二次加強(qiáng)支護(hù)，從而使隧道開挖后能夠穩(wěn)定成型。為了驗(yàn)證這種支護(hù)方法的支護(hù)效果，采用MIDAS軟件對(duì)隧道圍巖及開挖支護(hù)過程進(jìn)行模擬。

2.2 數(shù)值模擬

模擬的范圍為隧道左右兩側(cè)各取70m，隧道頂板向上去70m，隧道底板向下取30m，邊界范圍滿足圣維南原理。模型采用地層-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，屈服準(zhǔn)則采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則，圍巖物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)表1進(jìn)行選取.

3 MIDAS模擬結(jié)果及分析

隧道開挖后，分別施加初次支護(hù)和二次加強(qiáng)支護(hù)，兩次支護(hù)完成后計(jì)算得到隧道豎直方向的位移云圖如圖1所示。由圖1可知，兩次支護(hù)后隧道沿豎直正方向和負(fù)方向的最大變形分別發(fā)生在隧道仰拱和拱頂位置，即隧道產(chǎn)生了底部隆起和拱頂下沉現(xiàn)象。在初次支護(hù)后，隧道仰拱凸起和拱頂下沉量分別為2.53cm和4.05cm。二次加強(qiáng)支護(hù)后，隧道仰拱凸起和拱頂下沉量分別達(dá)到了2.75cm和4.88cm?？梢钥闯龀醮沃ёo(hù)施加完成后產(chǎn)生的變形量比較大，而二次加強(qiáng)支護(hù)完成后隧道變形得到明顯控制，說明二次加強(qiáng)支護(hù)完成后隧道的輪廓可以基本成型。

初次支護(hù)和二次加強(qiáng)支護(hù)后支護(hù)結(jié)構(gòu)中的如表2內(nèi)力所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的控制位置在拱頂、拱腰、拱腳和仰拱幾個(gè)位置。

通過對(duì)比初次支護(hù)后與二次加強(qiáng)支護(hù)后支護(hù)結(jié)構(gòu)中的軸力與彎矩值可以發(fā)現(xiàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)中軸力和彎矩值均有明顯的減小，而且軸力與彎矩的最大值與最小值的差值也在減小。首先，初次支護(hù)后，支護(hù)結(jié)構(gòu)中軸力與彎矩的最大值分別為2797kN和36.5kN·m，二次加強(qiáng)支護(hù)后，支護(hù)結(jié)構(gòu)中軸力與彎矩的最大值分別為1570kN和26.3kN·m，即二次加強(qiáng)支護(hù)施加后支護(hù)結(jié)構(gòu)中的軸力與彎矩分別變?yōu)槭┘忧暗?6.13%和72.05%。其次，初次支護(hù)后，支護(hù)結(jié)構(gòu)中軸力和彎矩的最大值分別是其最小值的1.65倍和3.07倍；二次加強(qiáng)支護(hù)后，支護(hù)結(jié)構(gòu)中軸力和彎矩的最大值分別是其最小值的1.63倍和2.48倍。由此可知，相比于初次支護(hù)后，在隧道二次加強(qiáng)支護(hù)后，支護(hù)結(jié)構(gòu)中的軸力和彎矩均發(fā)生了比較明顯的減??；同時(shí)，整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)中軸力與彎矩的最大值與最小值的差值減小，即二次加強(qiáng)支護(hù)后支護(hù)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力變得更加均勻，有利于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

（1）初期支護(hù)對(duì)圍巖的豎向位移和水平位移起到一定的控制作用，但是二次加強(qiáng)支護(hù)后則能進(jìn)一步控制隧道變形，有利于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（2）二次加強(qiáng)支護(hù)可以大大減小支護(hù)結(jié)構(gòu)中的軸力和彎矩值，同時(shí)使整個(gè)結(jié)構(gòu)中的軸力和彎矩的最大、最小差值減小，更趨近于均勻，有利于隧道穩(wěn)定性。

（3）二次加強(qiáng)支護(hù)后隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中各部位的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，說明二次加強(qiáng)支護(hù)的必要性，也說明了分層加強(qiáng)支護(hù)這種支護(hù)方式的合理可行性。

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