唐國豐，趙東明，趙 博

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶鋼鐵集團設(shè)計院有限公司，重慶 400039)

本文針對軟弱圍巖隧道提出一種新型初期支護結(jié)構(gòu)，即在軟弱圍巖條件下將柔性格柵拱架和系統(tǒng)錨桿連接在一起形成整體支護結(jié)構(gòu)。該新型支護結(jié)構(gòu)格柵拱架具有一定柔性且在一定范圍內(nèi)適應(yīng)圍巖變形，而系統(tǒng)錨桿和格柵鋼架連接后又保證了鋼架的整體穩(wěn)定性，使其能夠繼續(xù)發(fā)揮承載作用。

類似于該新型組合支護結(jié)構(gòu)應(yīng)用由來已久?？导t普等[1]研究認為錨桿組合構(gòu)件能夠起到支護錨桿間圍巖，均衡錨桿受力從而提高整體支護作用；袁溢[2]通過對大變形巷道錨桿護表構(gòu)件研究得到，護表構(gòu)件能夠使圍巖處于三向受力狀態(tài)，阻止圍巖破裂。同時，護表構(gòu)件也可形成類似組合梁或承壓拱的支護結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力。

然而該新型支護結(jié)構(gòu)目前在較大斷面的軟弱圍巖隧道中應(yīng)用較少。而對于傳統(tǒng)型鋼拱架支護結(jié)構(gòu)，孫振宇[3]研究認為其剛度較大，雖然能夠很好地控制圍巖變形但另一方面卻增加了支護結(jié)構(gòu)的受力，對圍巖自身承載能力利用低，且支護時機的影響因素多，難以確定合適的支護時機。此外，王建宇[4]研究發(fā)現(xiàn)在軟弱圍巖隧道工程中“強支硬頂”的支護方案難以解決實際問題。他提出“可讓性原則”的解決方法，即在開挖斷面時預(yù)留一定的圍巖變形空間，讓支護結(jié)構(gòu)在圍巖變形有控制的基礎(chǔ)上承受較小的圍巖壓力。

該新型支護結(jié)構(gòu)利用了格柵鋼架的柔性和錨桿強度高的特點對軟弱圍巖進行支護。但是，對其隧道軟弱圍巖具體力學(xué)特性尚不明確。本文通過FLAC 3D數(shù)值模擬計算研究分析該新型結(jié)構(gòu)支護下的Ⅴ1圍巖受力特性，以進一步揭示其支護機理和支護效果。

1 計算模型

本文在計算分析時假定圍巖是連續(xù)的各向同性的彈-塑性體，且服從Mohr-Coulomb強度準則。設(shè)置模型上邊界面為自由邊界，并施加豎向荷載以模擬隧道埋深的圍巖荷載[5-6]。同時，固定除上邊界面以外的其他所有邊界面的位移。

工程地質(zhì)中一般規(guī)定圍巖范圍為6倍隧洞直徑，故計算模型的實體單元尺寸設(shè)置為橫向120 m，豎向110 m，縱向60 m，所模擬的隧道斷面尺寸設(shè)置見圖1。并分別在拱頂A、拱腰B、拱腳C和仰拱底部D設(shè)置4個計算點。

圖1 隧道斷面尺寸及考察點布置

新型初期支護結(jié)構(gòu)主要由格柵拱架、錨桿、C25噴射混凝土構(gòu)成。本文在FLAC 3D中計算時，用beam結(jié)構(gòu)單元模擬格柵拱架，間隔1 m布置；用cable結(jié)構(gòu)單元模擬錨桿，錨桿采取1 m間隔布置；C25噴射混凝土用shell結(jié)構(gòu)單元模擬(圖2)。

圖2 支護結(jié)構(gòu)的鋼架錨桿布置

計算時的圍巖參數(shù)根據(jù)JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計細則》[7]中提供的無實測數(shù)據(jù)時Ⅴ1級圍巖物理力學(xué)參數(shù)設(shè)置，隧道初期支護結(jié)構(gòu)及圍巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 拉錨結(jié)構(gòu)支護材料參數(shù)

隧道的計算模型采用兩臺階開挖方式掘進, 即上臺階開挖20 m后，下臺階開始開挖。二襯施作時，其施作斷面與下臺階掌子面也始終保持20 m距離，計算時的隧道開挖過程示意見圖3。需要指出的是在模型計算時隧道開挖和初期支護是同時完成的，即完成開挖時也完成了初期支護[8]。

圖3 隧道開挖過程示意

2 主應(yīng)力發(fā)展

在工程中，Ⅴ1級軟弱圍巖常常表現(xiàn)出巖體破碎、結(jié)構(gòu)面發(fā)育及結(jié)合狀況一般且呈破裂狀、各項物理指標低等特點。目前，在Ⅴ1級軟弱圍巖中的施工重點普遍傾向于控制圍巖變形，進而采用了“早支護”“強支護”的施工方法。這種支護方法較早地提供了一個大的支護力P值，使圍巖再次進入三向應(yīng)力的狀態(tài)，從而達到穩(wěn)定圍巖、控制位移的目的[9]。而該新型支護結(jié)構(gòu)則提供了一種柔性的支護方式，允許圍巖發(fā)生足夠變形，充分釋放圍巖形變壓力。在圍巖變形發(fā)展工程中，新型支護結(jié)構(gòu)支護力P值逐漸增大，最終穩(wěn)定圍巖、控制變形。因此，新型結(jié)構(gòu)支護下圍巖應(yīng)力狀態(tài)與傳統(tǒng)的鋼架+掛網(wǎng)噴混凝土支護有很大差別。

本文選取隧道模型中心位置處即縱向30 m斷面處作為研究對象。在計算時，考察了該斷面處A、B、C、D4個點在新型結(jié)構(gòu)支護后的主應(yīng)力發(fā)展變化，其中整理得到最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力變化見圖4、5。

從計算結(jié)果來看，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力發(fā)展趨勢相同。即在上臺階開挖時，各計算點應(yīng)力大小按拱腳(C)>拱腰(B)>拱頂(A)>仰拱底部(D)分布。隨后在隧道圍巖三次應(yīng)力重分布期間，圍巖在柔性支護下變形發(fā)展，相對應(yīng)各考察點應(yīng)力陡降，其應(yīng)力下降斜率呈現(xiàn)出拱腳(C)>拱腰(B)>拱頂(A)>仰拱底部(D)特點。

上臺階開挖支護穩(wěn)定后，拱頂和拱腰應(yīng)力在支護力作用下開始回升，其回升幅度約為下降值的1/4～1/3。拱腳和仰拱處圍巖應(yīng)力繼續(xù)下降到一定值后便趨于穩(wěn)定。當(dāng)下臺階開挖后，拱腳和仰拱底部圍巖應(yīng)力開始回升。拱腳應(yīng)力回升幅度約為其下降值的1/10，仰拱底部應(yīng)力回升幅度約為其下降值的1/5。此外，在下臺階開挖時，拱腰應(yīng)力會再次小幅度下降，支護穩(wěn)定后拱腰應(yīng)力又呈增長趨勢，并且超過其再次下降前的應(yīng)力值。當(dāng)拱圈所有初期支護穩(wěn)定后，各計算點應(yīng)力有緩慢增長趨勢，但增幅不大、總體趨于平穩(wěn)。應(yīng)力大小分布最終表現(xiàn)為：拱腰(B)>拱頂(A)>仰拱底部(D)>拱腳(C)。

圖4 隧道30 m斷面處最大主應(yīng)力發(fā)展

圖5 隧道30 m斷面處最小主應(yīng)力發(fā)展

3 塑性區(qū)發(fā)展

由于掌子面的空間效應(yīng)，當(dāng)上臺階掌子面開挖至距研究斷面5 m處時研究斷面開始發(fā)生塑性變形。當(dāng)開挖至距研究斷面1～2 m時，拱腰至拱頂發(fā)生大面積剪切塑性變形，且在沿拱圈圓心至拱腰方向，塑性變形向外發(fā)展趨勢明顯。當(dāng)研究斷面上臺階開挖后，拱圈上部圍巖大部分退出塑性變形狀態(tài)而拱腳至拱腰段的圍巖開始產(chǎn)生剪切塑性變形且塑性區(qū)域向外擴散，同時仰拱下部的部分圍巖也開始塑性變形[10]。

當(dāng)下臺階開挖至距研究斷面15 m時，隧道邊墻墻角下方開始發(fā)生塑形變形，且在沿著拱圈圓心至墻角的方向外擴發(fā)展。當(dāng)下臺階開挖至距研究斷面5 m時，仰拱底部絕大部分圍巖都開始發(fā)生剪切塑性變形。因此，研究斷面下臺階開挖前整個隧道周圍的塑性變形基本上全部完成了，即圍巖都退出塑性狀態(tài)。當(dāng)然在后續(xù)過程中由于圍巖的變形發(fā)展，只有在下臺階開挖超過研究斷面10 m后所研究的斷面才不產(chǎn)生新的塑性變形。但這些新的塑性區(qū)域面積很小，與已經(jīng)發(fā)生變形的區(qū)域相比可以忽略。圖6是整個隧道開挖支護過程中發(fā)生過塑性變形的圍巖區(qū)域。

圖6 圍巖塑性區(qū)

由針對Mohr-Coulomb準則和理想彈塑性零塑性體應(yīng)變的圓形隧道提出的芬納解可知塑性區(qū)半徑為：

(1)

式中除了支護抗力P和開挖尺寸R0外，其余參數(shù)都是圍巖自身的物理量[11]。因此，在既有隧道中塑性區(qū)半徑只由支護力決定。上式中并沒有考慮圍巖的自身承載力和穩(wěn)定性，故孫振宇等提出把圍巖自穩(wěn)能力視為一種虛擬支護力，則支護抗力P為：

P=Pi+Pf

(2)

式中Pi——支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的支護抗力；Pf——虛擬支護力。

通過式(1)和式(2)可定性分析得到：傳統(tǒng)鋼架+噴混凝土支護結(jié)構(gòu)在開挖后能夠很快地提供一個較大的支護抗力Pi，能夠限制隧道開挖后塑性區(qū)域的發(fā)展[12]。而對于新型支護機構(gòu)而言，在隧道剛開挖后其提供的支護抗力Pi有限，圍巖塑性區(qū)發(fā)展較為迅速。但當(dāng)圍巖變形和應(yīng)力釋放穩(wěn)定后，在支護結(jié)構(gòu)作用下圍巖形成穩(wěn)定壓力拱，相應(yīng)的虛擬支護力Pf開始增大，此時圍巖所受到的支護抗力P得到提高，圍巖塑性區(qū)便不再發(fā)展。在數(shù)值計算模擬中可以驗證，相同圍巖環(huán)境下新型支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的塑性區(qū)面積略大于傳統(tǒng)鋼架+掛網(wǎng)支護結(jié)構(gòu)，但是兩者總體差距不大。

4 位移發(fā)展

本文計算時只考慮了平面內(nèi)主要位移，即拱頂只考察豎向沉降，拱腰處考察向拱圈圓心位移，拱腳處只考慮橫向收斂，仰拱底部只考察仰拱突起[13-14]。圖7所示，在掌子面時空效應(yīng)下研究斷面開挖前各考察點已經(jīng)產(chǎn)生了位移。其中拱頂、拱腰、仰拱3個考察點開挖前的位移量達到了各點位移收斂值的1/4～1/3。

圖7 隧道30 m斷面處位移發(fā)展

除拱腳外其余3個考察點位移發(fā)展規(guī)律相似，它們在下臺階開挖之前就開始收斂。而拱腳位置處的位移速度明顯受到拱頂和拱腰位移的影響：上臺階開挖后拱頂和拱腰位移速度增加，拱腳橫向位移速度也增加；而當(dāng)拱頂和拱腰位移趨于收斂時，拱腳位移速度明顯放緩；下臺階開挖時，拱頂、拱腰、仰拱位移基本收斂，拱腳處的位移速度在短時間內(nèi)猛增后收斂。

綜上可知，拱頂、拱腰、仰拱位移不受其他部位影響，而拱腳處位移則與拱頂、拱腰位移和下臺階開挖有關(guān)。

在隧道圍巖位移彈塑性解析中，圍巖洞周變形U可以表示為支護力P的函數(shù)，它們在坐標系中形成的曲線稱為圍巖特征曲線。然而在隧道工程實際中并不是圍巖一開始變形支護結(jié)構(gòu)就開始受力，往往是在經(jīng)過圍巖緩慢變形逐漸與支護結(jié)構(gòu)貼合后圍巖才開始受力。該新型支護結(jié)構(gòu)更是這樣，因此，圍巖特征曲線應(yīng)該是在隧道開挖界面處圍巖的位移U和圍巖在該處所受到的法向力σθ關(guān)系曲線。這種定義中，自然包含了支護結(jié)構(gòu)對圍巖位移和受力的影響，同時所計算數(shù)據(jù)采集方便[15]。本文將采取后者定義來研究分析新型支護結(jié)構(gòu)下圍巖特征曲線。

開挖過程中拱頂位移最大而拱腳處位移變化最復(fù)雜，故在分析時著重考慮此兩點在開挖支護過程中的變化情況。繪制拱頂、拱腳處的圍巖特征曲線見圖8，圖中σθ以指向隧道拱圈圓心為正值，反向則為負值。

圖8 圍巖特征曲線

圖8中圍巖各處起始點處為上臺階開挖時狀態(tài)，此時的圍巖特性曲線點受掌子面掘進時空效應(yīng)影響，這里不做討論[16]。在隧道開挖支護后，拱腳處圍巖應(yīng)力迅速下降，最后應(yīng)力變?yōu)樨摲较?。此過程中圍巖位移增長約為收斂時的1/5。拱腳圍巖法向應(yīng)力為負值時表現(xiàn)為拱腳受拉，此時拱腳圍巖應(yīng)力大小幾乎不變而位移增長趨勢明顯。此過程中位移增長，約為收斂時的2/5。當(dāng)下臺階開挖、支護結(jié)構(gòu)閉合成拱后，支護結(jié)構(gòu)提供的支護力增大，圍巖受力狀態(tài)得到改善。此時圍巖應(yīng)力逐漸增長為正值，且隨著位移發(fā)展表現(xiàn)出收斂趨勢，收斂后的應(yīng)力約為開挖時的1/3。而圍巖位移在此過程中增速逐漸增加，并在應(yīng)力收斂后位移開始收斂。

在上臺階開挖后，拱頂位置處應(yīng)力直線下降為開挖前的1/2，此過程中圍巖位移變化較小。在接下來的過程中，圍巖位移迅速增長而圍巖應(yīng)力僅有小幅度增加，直至圍巖位移收斂。

5 結(jié)論

本文結(jié)合FLAC 3D數(shù)值計算軟件研究分析了格柵拱架和系統(tǒng)錨桿連接成的新型柔型支護結(jié)構(gòu)在臺階開挖條件下圍巖的力學(xué)特性，分別討論了在整個開挖支護過程中圍巖應(yīng)力和圍巖位移的發(fā)展狀況，主要得到以下結(jié)論。

a) 在隧道計算模型中設(shè)置考察點，跟蹤分析了新型支護結(jié)構(gòu)下軟弱圍巖的主應(yīng)力發(fā)展規(guī)律。本文提出的柔性支護結(jié)構(gòu)能夠釋放較大的圍巖壓力，并逐漸給隧道圍巖提供支護力使圍巖穩(wěn)定。同時得出拱腳處的圍巖會禁受拉的不利狀態(tài)，但該處圍巖位移能夠在支護結(jié)構(gòu)作用下快速收斂穩(wěn)定。

b) 從隧道模擬開挖過程中，跟蹤分析了研究斷面塑性區(qū)的發(fā)展狀況。引用“虛擬支護力”概念分析了新型支護結(jié)構(gòu)限制塑性區(qū)發(fā)展原理。本文提出新型支護結(jié)構(gòu)能較好地適應(yīng)圍巖變形，對圍巖塑性區(qū)發(fā)展控制相對較弱。但該支護結(jié)構(gòu)能夠使圍巖更容易形成壓力拱、增強圍巖虛擬支護力Pf。

c) 分析開挖支護過程中各考察點的圍巖位移發(fā)展規(guī)律。通過繪制圍巖特征曲線分析了圍巖位移與應(yīng)力間關(guān)系。從圍巖特征曲線可以看出隨著圍巖位移收斂，圍巖應(yīng)力也在增加。這表明，此種新型支護機構(gòu)可以使軟弱隧道圍巖穩(wěn)定。