葉萬(wàn)軍， 魏 偉， *， 陳 明

(1. 西安科技大學(xué)， 陜西 西安 710054； 2. 中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司， 陜西 西安 710054)

0 引言

作為一種柔性支承結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)在抑制圍巖產(chǎn)生過(guò)大變形的同時(shí)，能極大發(fā)揮圍巖的自承能力，是現(xiàn)代隧道修建理念的體現(xiàn)。在深埋隧道施工中，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力機(jī)制復(fù)雜，影響因素眾多，支護(hù)參數(shù)優(yōu)化、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力模式及受力特征分析等問(wèn)題成為隧道研究的重點(diǎn)。

不少學(xué)者采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)合數(shù)值模擬手段，對(duì)初期支護(hù)受力規(guī)律進(jìn)行研究。孫克國(guó)等[1]利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化； 靳曉光等[2]通過(guò)建立實(shí)體模型及有限元數(shù)值模擬，為深埋公路隧道施工方式的選擇提供了科學(xué)依據(jù)； 李志清等[3]建立了FLAC 3D模型，對(duì)型鋼混凝土初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。也有很多學(xué)者通過(guò)對(duì)施工過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形特征。譚忠盛等[4-5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)深、淺埋黃土隧道拱部錨桿的作用效果進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)拱部錨桿受壓所能發(fā)揮的支護(hù)效果有限，得出拱部系統(tǒng)錨桿可以取消的結(jié)論； 孟德鑫等[6]以寶蘭客運(yùn)專(zhuān)線西坡隧道為工程背景，通過(guò)設(shè)置試驗(yàn)斷面，提出了大斷面黃土隧道變形控制技術(shù)； 沙鵬等[7]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等手段，揭示出層狀地層圍巖接觸壓力隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律及空間分布特征，并針對(duì)此類(lèi)巖體提出更為合理的設(shè)計(jì)建議。另外，不少學(xué)者利用模型試驗(yàn)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)、襯砌變形破壞機(jī)制等問(wèn)題進(jìn)行了研究[8-10]。

已有研究取得了較多成果，但由于地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，不同隧道即使地質(zhì)條件相似，支護(hù)受力特征也可能存在差異，因此關(guān)于深埋大斷面黃土隧道初期支護(hù)各構(gòu)件受力特征及其聯(lián)系的研究還需要進(jìn)一步完善。選取早勝3號(hào)隧道進(jìn)口為試驗(yàn)段，埋設(shè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)初期支護(hù)各子構(gòu)件的受力狀態(tài)，同時(shí)借助有限元模擬隧道施工，結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果分析支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征，對(duì)后續(xù)施工提出合理建議。

1 工程概況

銀西鐵路客運(yùn)專(zhuān)線早勝3號(hào)隧道總長(zhǎng)11 171.38 m，埋深10～210 m，開(kāi)挖面積158.3 m2，屬雙線單洞，為銀西鐵路控制性工程。隧道位于黃土梁塬溝壑區(qū)，主要地層有第四系全新統(tǒng)溜塌堆積黏質(zhì)黃土、上更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土、中更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土。試驗(yàn)斷面位于早勝3號(hào)隧道進(jìn)口段，里程DK184+235，埋深177 m左右，為Q2黏質(zhì)黃土，屬Ⅳ級(jí)圍巖，密度2.21 g/cm3，含水率16.1%，黏聚力63 kPa，內(nèi)摩擦角35°，塑性指數(shù)27.97，液性指數(shù)-0.08，陽(yáng)離子交換量CEC(NH4+)139 mmol/kg，蒙脫石含量14.7%，具有弱膨脹性。

試驗(yàn)段采用三臺(tái)階七部預(yù)留核心土法開(kāi)挖，隧道斷面劃分為7個(gè)工作面，開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺為1.6 m，左側(cè)中臺(tái)階、下臺(tái)階相比于右側(cè)中、下臺(tái)階開(kāi)挖快1個(gè)循環(huán)，仰拱距離掌子面11～16 m，施工順序如圖1所示(6-1、6-2、6-3為預(yù)留核心土區(qū)域)。初期支護(hù)采用30 cm厚C25噴射混凝土，間距為0.8 m的全環(huán)I20a型工字鋼，φ8鋼筋網(wǎng)片間距為20 cm×20 cm，邊墻處錨桿長(zhǎng)度3.5 m，1.2 m×2 m梅花形布置。

圖1 開(kāi)挖順序示意圖(單位： mm)

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

文獻(xiàn)[11-12]得出結(jié)論： 支護(hù)結(jié)構(gòu)左右側(cè)拱腰位置易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。為明確支護(hù)受力空間分布規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在拱腰位置增設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)。該監(jiān)測(cè)斷面共設(shè)置測(cè)點(diǎn)14個(gè)(見(jiàn)圖2)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容為圍巖與初期支護(hù)間接觸壓力、鋼拱架應(yīng)變、鋼拱架間應(yīng)力、噴射混凝土應(yīng)變。每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置4種監(jiān)測(cè)設(shè)備(見(jiàn)圖3)： 土壓力盒(JXY-4型)、表面應(yīng)變計(jì)(JHX-3型)、鋼筋應(yīng)力計(jì)(JKGJ-16型)、混凝土應(yīng)變計(jì)(JXH-2型)，測(cè)試精度(%FS)≤0.2，綜合誤差(%FS)≤2。儀器均為振弦式傳感器，數(shù)據(jù)讀取采用手持式讀數(shù)儀。前30 d讀取頻率為1～2次/d； 30 d以后隨著數(shù)據(jù)逐漸穩(wěn)定，讀數(shù)頻率逐漸降低至1～3次/周。測(cè)試原理為外荷載作用后傳感器內(nèi)置鋼弦振動(dòng)頻率改變，通過(guò)測(cè)量該頻率并結(jié)合傳感器已有的標(biāo)定系數(shù)以及鋼弦初始頻率換算得到測(cè)點(diǎn)的內(nèi)力數(shù)值。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置

傳感器安裝時(shí)應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)： 1)土壓力盒與圍巖接觸面應(yīng)處理平整，固定土壓力盒的鋼筋爪應(yīng)焊接牢固，防止壓力盒脫空致使數(shù)據(jù)失真。2)表面應(yīng)變計(jì)焊接于鋼拱架靠近圍巖一側(cè)翼緣，鋼筋應(yīng)力計(jì)焊接于兩榀鋼拱架之間，混凝土應(yīng)變計(jì)用鐵絲固定在鋼筋網(wǎng)片上。3)為防止噴射混凝土破壞線纜，安裝儀器后多余線纜放置在臺(tái)階拱腳的塑料三通內(nèi)(見(jiàn)圖4)，三通口用土工布塞填，待安裝下個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)取出線纜并引至新開(kāi)挖臺(tái)階拱腳三通內(nèi)，最后在二次砌襯小邊墻處引出。

圖3 儀器埋設(shè)位置

圖4 拱腳三通

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 圍巖與初期支護(hù)接觸壓力

圖5示出圍巖與支護(hù)接觸壓力隨時(shí)間變化曲線。整個(gè)監(jiān)測(cè)階段，支護(hù)結(jié)構(gòu)均受到來(lái)自圍巖的壓力作用，初期支護(hù)閉合前各測(cè)點(diǎn)的接觸壓力出現(xiàn)較大的波動(dòng)，并且呈現(xiàn)出迅速增加的趨勢(shì)，其中測(cè)點(diǎn)1、5、8處增速最快，出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。支護(hù)結(jié)構(gòu)未閉合時(shí)，拱腳處支反力由鎖腳錨桿和下部未開(kāi)挖土體提供，下部土體開(kāi)挖后拱腳處于懸空狀態(tài)，支座反力有所降低，加上施工擾動(dòng)對(duì)初期支護(hù)的影響，接觸壓力表現(xiàn)出較明顯的不規(guī)則波動(dòng)。監(jiān)測(cè)10 d時(shí)支護(hù)閉合，隧道掌子面前移，監(jiān)測(cè)斷面受施工影響程度減弱，并且支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合也有利于自身應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)整，接觸壓力表現(xiàn)出增長(zhǎng)速度放緩、波動(dòng)減弱的趨勢(shì)。二次砌襯閉合12 d后大部分測(cè)點(diǎn)接觸壓力趨于穩(wěn)定，但測(cè)點(diǎn)5處接觸壓力出現(xiàn)了較大幅度的降低，分析認(rèn)為該變化是由于二次砌襯承擔(dān)了部分圍巖壓力導(dǎo)致的初期支護(hù)自身內(nèi)力調(diào)整引起。

圖5 圍巖與支護(hù)接觸壓力隨時(shí)間變化曲線

Fig. 5 Time-history curves of contact pressure between primary support and surrounding rock

不同監(jiān)測(cè)階段圍巖與支護(hù)接觸壓力空間分布如圖6所示，可以看出在不同監(jiān)測(cè)階段接觸壓力的空間分布狀態(tài)規(guī)律相近。隧道支護(hù)左邊墻至仰拱、拱頂至右拱肩區(qū)域接觸壓力較大，右側(cè)邊墻—仰拱—左邊墻區(qū)域接觸壓力逐漸增大，拱頂—右側(cè)拱腰區(qū)域接觸壓力先減小后增大。接觸壓力沿著隧道空間的分布表現(xiàn)出較大離散性，測(cè)點(diǎn)1、5、8應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，其中測(cè)點(diǎn)5處接觸壓力最大，為357.7 kPa。接觸壓力分布左右側(cè)不對(duì)稱(chēng)，出現(xiàn)偏壓特征，但試驗(yàn)段隧道埋深較大且無(wú)明顯構(gòu)造應(yīng)力作用，推測(cè)是由左、右側(cè)臺(tái)階分部開(kāi)挖引起圍巖應(yīng)力釋放程度不同導(dǎo)致。對(duì)比監(jiān)測(cè)25、57 d的空間分布特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，二次砌襯施工后，初期支護(hù)接觸壓應(yīng)力集中情況得到了較大改善，說(shuō)明二次砌襯完成對(duì)調(diào)節(jié)初期支護(hù)受力，維持初期支護(hù)穩(wěn)定具有較大的貢獻(xiàn)。

另外，接觸壓力的空間分布特征與深埋鐵路隧道襯砌計(jì)算時(shí)所采用的均布荷載形式存在較大差異，參考規(guī)范[13]松散壓力計(jì)算方法及文獻(xiàn)[14-15]分析方法，深埋隧道圍巖壓力計(jì)算值與實(shí)測(cè)接觸壓力分量最大值的對(duì)比見(jiàn)表1?？梢钥闯觯佑|壓力理論計(jì)算值偏小，水平向分量與實(shí)測(cè)值差異較大。

表1圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸壓力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

Table 1 Comparison between calculated and measured values of surrounding rock pressure kPa

豎向分量實(shí)測(cè)值理論值水平向分量實(shí)測(cè)值理論值240.9157.5253.147.2

3.2 噴射混凝土受力特征

噴射混凝土應(yīng)力利用固定在鋼筋網(wǎng)片上的混凝土應(yīng)變計(jì)測(cè)量，鋼筋網(wǎng)片位于靠近圍巖一側(cè)，因此該結(jié)果實(shí)際反映的是噴射混凝土靠近圍巖一側(cè)的應(yīng)力。由于施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，噴射混凝土彈性模量隨時(shí)間變化關(guān)系難以確定，若不考慮硬化過(guò)程直接按彈性模量設(shè)計(jì)值計(jì)算噴射混凝土內(nèi)力又與真實(shí)受力相差甚遠(yuǎn)。參考張德華等[16]的研究得到C25噴射混凝土彈性模量與時(shí)間理論關(guān)系曲線，如圖7所示。計(jì)算噴射混凝土內(nèi)力時(shí)彈性模量可分為2個(gè)部分，即48 h以?xún)?nèi)取曲線中值12.07 GPa，之后取設(shè)計(jì)值23 GPa，分步計(jì)算累加得到噴射混凝土應(yīng)力變化曲線如圖8所示(負(fù)值為受拉，正值為受壓)。

(a) 監(jiān)測(cè)10 d

(b) 監(jiān)測(cè)25 d

(c) 監(jiān)測(cè)57 d

圖6不同監(jiān)測(cè)階段圍巖與支護(hù)接觸壓力空間分布圖(單位： kPa)

Fig. 6 Distribution of contact pressure between primary support and surrounding rock at different monitoring phases (unit: kPa)

噴射混凝土應(yīng)力隨時(shí)間變化表現(xiàn)出迅速增長(zhǎng)—緩慢增長(zhǎng)—逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)?；炷羾娚浜笞陨韽?qiáng)度逐漸增大，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值均迅速增加。監(jiān)測(cè)9 d時(shí)，受仰拱開(kāi)挖影響，測(cè)點(diǎn)9、10、11處應(yīng)力出現(xiàn)不同程度下降。至初期支護(hù)閉合(監(jiān)測(cè)10 d)，測(cè)點(diǎn)1處應(yīng)力增量最大，達(dá)到15 MPa，超過(guò)噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值； 初期支護(hù)閉合后，其對(duì)圍巖變形的抑制能力較未閉合時(shí)有較大增長(zhǎng)，表現(xiàn)為噴射混凝土應(yīng)力增長(zhǎng)速度放緩，至二次襯砌施工時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力已達(dá)到最終穩(wěn)定應(yīng)力的95%以上； 二次砌襯施工結(jié)束12 d后，噴射混凝土應(yīng)力幾乎不再隨時(shí)間變化產(chǎn)生波動(dòng)，基本達(dá)到穩(wěn)定。測(cè)點(diǎn)10、11應(yīng)力數(shù)值在二次襯砌施工后出現(xiàn)了減小的趨勢(shì)，分析認(rèn)為可能與仰拱的未及時(shí)閉合有關(guān)。

圖7 噴射混凝土彈性模量理論值曲線

圖8 噴射混凝土應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)噴射混凝土應(yīng)力空間分布特征如圖9所示，由圖可知，噴射混凝土應(yīng)力與接觸壓力的分布并不一一對(duì)應(yīng)，不同時(shí)間點(diǎn)的噴射混凝土應(yīng)力分布情況類(lèi)似，均表現(xiàn)出左右側(cè)不對(duì)稱(chēng)，上部明顯大于下部的特征。發(fā)展穩(wěn)定之后拱頂?shù)膲簯?yīng)力達(dá)到26.6 MPa，超出了噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。此時(shí)，鋼拱架開(kāi)始承擔(dān)大部分壓應(yīng)力，為確保結(jié)構(gòu)安全后續(xù)施工中可采取增大上部噴射混凝土厚度、增大拱頂鋼拱架強(qiáng)度等措施。左、右邊墻位置噴射混凝土受力較小，右邊墻位置出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，可能與仰拱初期支護(hù)未及時(shí)閉合有關(guān)。初期支護(hù)仰拱未施作時(shí)，邊墻位置為支護(hù)結(jié)構(gòu)受到圍巖壓力作用時(shí)的薄弱點(diǎn)，可采取加強(qiáng)邊墻位置鎖腳錨桿強(qiáng)度、縮短仰拱閉合施工周期等措施提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(a) 監(jiān)測(cè)10 d

(b) 監(jiān)測(cè)25 d

(c) 監(jiān)測(cè)57 d

圖9不同監(jiān)測(cè)階段噴射混凝土應(yīng)力空間分布圖(單位： MPa)

Fig. 9 Distribution of shotcrete stress of primary support at different monitoring phases (unit: MPa)

3.3 鋼拱架受力特征

鋼拱架應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(見(jiàn)圖10)總體表現(xiàn)為迅速增長(zhǎng)—緩慢增長(zhǎng)—逐漸穩(wěn)定的3階段變化過(guò)程。鋼拱架拱腳依靠鎖腳錨桿固定，混凝土噴射完成至達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度期間，鋼拱架發(fā)揮主要的承載作用，此時(shí)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)處于不利受力狀態(tài)，隨著斷面開(kāi)挖鋼拱架應(yīng)力增長(zhǎng)迅速，結(jié)構(gòu)閉合時(shí)測(cè)點(diǎn)2處應(yīng)力最大，達(dá)到180 MPa，占其最終應(yīng)力的82%。初期支護(hù)閉合后鋼拱架形成一個(gè)受力整體，能更好地抵抗圍巖變形，表現(xiàn)為應(yīng)力增長(zhǎng)速率迅速放緩； 二次砌襯閉合12 d后各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值均已達(dá)到穩(wěn)定，不再隨時(shí)間發(fā)生變化。開(kāi)挖初期測(cè)點(diǎn)5、11處出現(xiàn)不同程度的拉應(yīng)力，可能與施工擾動(dòng)有關(guān)。

圖10 鋼拱架應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

不同監(jiān)測(cè)階段鋼拱架應(yīng)力空間分布如圖11所示，與噴射混凝土受力情況不同，鋼拱架主要承受壓應(yīng)力作用，空間分布狀態(tài)依舊表現(xiàn)出左右側(cè)不對(duì)稱(chēng)，上部受力明顯大于下部的特征。鋼拱架應(yīng)力與噴射混凝土內(nèi)力、圍巖壓力分布并未表現(xiàn)出嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，鋼拱架應(yīng)力空間分布較為均勻，各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的離散性較前述數(shù)據(jù)有所改善。除拱頂測(cè)點(diǎn)損壞不計(jì)入外，穩(wěn)定之后鋼拱架最大內(nèi)力出現(xiàn)在右拱肩位置，達(dá)到261.7 MPa，并未超出其強(qiáng)度極限。

3.4 鋼拱架間作用力

圖12—13示出鋼拱架間作用力隨時(shí)間變化曲線及空間分布情況(負(fù)值為受拉，正值為受壓)。受開(kāi)挖卸荷影響，掌子面土體有向外擠出的趨勢(shì)，該變形向外側(cè)傳遞表現(xiàn)為相鄰鋼拱架間出現(xiàn)不同程度的擠壓作用(見(jiàn)圖14)，不均勻的作用力可能會(huì)使拱架局部?jī)A斜，進(jìn)而在圍巖荷載作用下產(chǎn)生不利彎矩，影響整體結(jié)構(gòu)受力性能。

監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)： 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合前，鋼拱架間作用力隨時(shí)間增長(zhǎng)表現(xiàn)出快速增大的趨勢(shì)。測(cè)點(diǎn)5處則是先出現(xiàn)拉力隨后逐漸增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫ψ饔茫撟饔昧Ψ植季哂休^大的離散性。鋼拱架間填充的噴射混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，相鄰拱架接觸面積增大，有利于拱架穩(wěn)定，并使其間作用力的分布趨于合理。初期支護(hù)閉合后，鋼拱架形成一個(gè)受力整體，此時(shí)鋼拱架間作用力的增長(zhǎng)速度迅速下降，各測(cè)點(diǎn)力的增長(zhǎng)變化趨勢(shì)相近。二次砌襯混凝土澆筑時(shí)受模板臺(tái)車(chē)擠壓影響，作用力出現(xiàn)突變，臺(tái)車(chē)移除后即緩慢下降至原有水平并在二次砌襯閉合12 d后達(dá)到最終的穩(wěn)定狀態(tài)。

(a) 監(jiān)測(cè)10 d

(b) 監(jiān)測(cè)25 d

(c) 監(jiān)測(cè)57 d

Fig. 11 Distribution of steel frame stress along tunnel ring at different monitoring phases (unit: MPa)

鋼拱架間作用力空間分布仍左右不對(duì)稱(chēng)，具體表現(xiàn)出左側(cè)拱腰區(qū)域及右側(cè)邊墻區(qū)域受力較大，而仰拱中部至左、右拱腰位置呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢(shì)。除測(cè)點(diǎn)3處儀器損壞外，最大值出現(xiàn)在左拱肩位置，達(dá)到29.6 kN。各測(cè)點(diǎn)受力不均可能會(huì)導(dǎo)致鋼拱架相對(duì)位置的改變影響結(jié)構(gòu)受力，因此有必要在鋼拱架受力較大位置(左拱肩、右拱腳位置)增加縱向連接筋數(shù)量或強(qiáng)度，改善結(jié)構(gòu)受力狀況。

圖12 鋼拱架間作用力隨時(shí)間變化曲線

圖13 鋼拱架間作用力空間分布(單位： kN)

圖14 鋼拱架間作用力示意圖

4 數(shù)值模擬

建立三維有限元模型模擬隧道施工過(guò)程，數(shù)值模型作為理論研究手段對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充，互相驗(yàn)證。依據(jù)圣維南原理及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，隧道開(kāi)挖對(duì)周?chē)鷰r體的影響范圍約為洞徑的3倍[17]，為減小位移邊界條件對(duì)結(jié)果的影響，模型以試驗(yàn)斷面DK184+235為中心沿開(kāi)挖方向前后各延伸8 m，尺寸設(shè)置為85 m×85 m×16 m，模型采用六面體網(wǎng)格，邊緣網(wǎng)格尺寸為3 m，開(kāi)挖部分網(wǎng)格尺寸為0.4 m，頂面無(wú)約束，底面約束X、Y、Z向位移，左右面約束X向位移，前后面約束Y向位移,共劃分單元88 120個(gè)，節(jié)點(diǎn)100 860個(gè)(見(jiàn)圖15)。隧道開(kāi)挖部分位于模型中心，共模擬10個(gè)開(kāi)挖循環(huán)，按圖1所示順序移除土體單元并施作支護(hù)，土體采用摩爾-庫(kù)侖彈塑性破壞準(zhǔn)則。錨桿長(zhǎng)度為3.5 m，環(huán)向間距1.2 m，軸向間距2 m，呈梅花形布置，安裝順序?yàn)橹信_(tái)階左側(cè)—中臺(tái)階右側(cè)—下臺(tái)階左側(cè)—下臺(tái)階右側(cè)，采用embedded region(嵌入)方式與隧道圍巖固定。由于隧道埋深較大，模型頂面至地表之間土體換算為等效荷載施加在模型上表面。

支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)取值參考規(guī)范，見(jiàn)表2。

圖15 網(wǎng)格劃分

類(lèi)別彈性模量[13]/MPa黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)泊松比重度/(kN/m3)黏質(zhì)黃土18063350.28 21.7噴射混凝土2.3×1040.2 23鋼拱架2.1×1050.35 78錨桿2.1×1050.25 78

4.1 初期支護(hù)噴射混凝土受力特征

圖16示出噴射混凝土的應(yīng)力分布情況。此時(shí)為模型10個(gè)開(kāi)挖、支護(hù)循環(huán)全部完成時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，由圖可知初期支護(hù)噴射混凝土主要承受壓應(yīng)力作用，應(yīng)力分布出現(xiàn)左右側(cè)不對(duì)稱(chēng)、上部噴射混凝土內(nèi)力明顯大于下部的特征，其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂及拱肩區(qū)域，為12.4 MPa。沿開(kāi)挖方向(Y軸正方向)應(yīng)力分布不均勻，應(yīng)力集中區(qū)并未貫穿整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)，可能與開(kāi)挖方式、模型邊界條件設(shè)置等因素有關(guān)。模型應(yīng)力分布規(guī)律與實(shí)測(cè)基本一致，能較好地反映初期支護(hù)噴射混凝土的受力特征，但從數(shù)值方面看計(jì)算結(jié)果偏小，可能有以下幾點(diǎn)原因： 1)建模中較小地估計(jì)了施工擾動(dòng)對(duì)圍巖造成的影響； 2)模型土體材料假定為均質(zhì)且各向同性，計(jì)算采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行，與實(shí)際存在差異； 3)為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，模型未考慮噴射混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)過(guò)程。

圖16 噴射混凝土應(yīng)力分布(單位： kPa)

4.2 錨桿受力特征

圖17示出錨桿的軸力分布情況，此時(shí)為模型10個(gè)開(kāi)挖、支護(hù)循環(huán)全部完成時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。沿隧道徑向圍巖受到的擾動(dòng)程度逐漸減弱，維持其穩(wěn)定需要的錨固力也逐漸減小，因此數(shù)值計(jì)算錨桿表現(xiàn)出靠近隧道斷面一端軸力大、末端軸力小的特點(diǎn)。從邊墻底部至拱腰位置錨桿軸力最大值從270 kN迅速減小至30 kN左右，說(shuō)明越靠近隧道拱部，錨桿所能發(fā)揮的支護(hù)效果越有限。同時(shí)，錨桿末端所受到的軸力較小，基本在15 kN以下，設(shè)計(jì)中可考慮適當(dāng)縮短錨桿長(zhǎng)度。

圖17 錨桿軸力分布特征(單位： kN)

5 結(jié)論與討論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)合數(shù)值模擬，對(duì)深埋大斷面黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力規(guī)律進(jìn)行分析，主要有以下結(jié)論：

1)受開(kāi)挖卸荷、噴射混凝土硬化、工法等因素影響，隨時(shí)間變化圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸壓力、噴射混凝土應(yīng)力、鋼拱架應(yīng)力等表現(xiàn)出迅速增長(zhǎng)—緩慢增長(zhǎng)—逐漸穩(wěn)定的變化過(guò)程，數(shù)據(jù)在二次砌襯閉合12 d后達(dá)到穩(wěn)定； 內(nèi)力的空間分布表現(xiàn)出上部大于下部的特征，并且初期支護(hù)結(jié)構(gòu)有較明顯的偏壓特點(diǎn)，與襯砌理論計(jì)算時(shí)所采用的均布荷載形式存在較大差異，相比于實(shí)測(cè)值按松散壓力所得的理論計(jì)算值偏小。

2)數(shù)值計(jì)算結(jié)果偏小但規(guī)律性與實(shí)測(cè)吻合較好，結(jié)果表明沿開(kāi)挖方向噴射混凝土應(yīng)力分布并不均勻，拱肩出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，為最不利位置，但應(yīng)力集中區(qū)并未貫通整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)； 靠近隧道斷面一端錨桿軸力大，末端軸力較小，設(shè)計(jì)時(shí)可考慮適當(dāng)縮短錨桿長(zhǎng)度，節(jié)約投資。

3)拱頂及拱肩位置為支護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱位置，后續(xù)施工宜采取增加噴射混凝土厚度等措施； 監(jiān)測(cè)初期邊墻位置出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)不利于支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，后續(xù)施工宜采取加強(qiáng)邊墻處鎖腳錨桿強(qiáng)度，縮短仰拱閉合時(shí)間等措施，同時(shí)對(duì)于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)薄弱部位，可適當(dāng)增大監(jiān)控量測(cè)頻率。

目前隧道設(shè)計(jì)多采用工程類(lèi)比法進(jìn)行，可能難以滿足未來(lái)長(zhǎng)大隧道設(shè)計(jì)的需求，后續(xù)可結(jié)合數(shù)值模擬、理論計(jì)算對(duì)隧道施工工法優(yōu)化、支護(hù)參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行研究。