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        裝配式波紋鋼隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

        2020-06-21 15:17:53李樹繁王小明蔣鶴李昌洲
        西部交通科技 2020年2期
        關(guān)鍵詞:數(shù)值分析

        李樹繁 王小明 蔣鶴 李昌洲

        摘要:文章采用數(shù)值模擬方法對(duì)云南某公路隧道利用裝配式波紋鋼作為初期支護(hù)時(shí)單獨(dú)承載和錨桿聯(lián)合承載兩種工況下波紋鋼的力學(xué)性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:V級(jí)圍巖深埋條件下,380 mm×140 mm×5 mm型號(hào)裝配式波紋鋼單獨(dú)承載不能滿足要求,但聯(lián)合錨桿可以提升波紋鋼初支的承載能力。裝配式波紋鋼未來(lái)可以作為一種新型的隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。

        關(guān)鍵詞:裝配式波紋鋼;初期支護(hù);數(shù)值分析

        0 引言

        近年來(lái),隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的持續(xù)提高與西部山區(qū)交通建設(shè)的不斷實(shí)施,山區(qū)公路隧道建設(shè)獲得了飛速發(fā)展[1-5]。隧道開挖時(shí)需及時(shí)完成初期支護(hù)以控制圍巖變形,目前我國(guó)山區(qū)公路隧道普遍采用的初期支護(hù)形式為型鋼+錨噴,此種結(jié)構(gòu)雖可迅速承載并控制圍巖變形,但也存在型鋼背后噴混凝土不易密實(shí)、結(jié)合處易開裂等缺陷。因此,有必要尋找新型的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和施工方法以克服上述問(wèn)題。波紋鋼具有剛度大、抗變形能力強(qiáng)、施工便捷等優(yōu)點(diǎn),其已在我國(guó)橋涵、明洞、城市綜合管廊等工程中廣泛應(yīng)用[2],但其作為初期支護(hù)在隧道工程中的研究和應(yīng)用尚處于空白,有必要探討其可行性。本文以云南某高速公路隧道工程為對(duì)象,采用MIDAS/GTS-NX有限元軟件,對(duì)裝配式波紋鋼結(jié)構(gòu)用作隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬,從力學(xué)角度分析了其工程可行性。

        1 工程概況

        隧道為雙洞四車道,凈寬為11 m,凈高為7.1 m,全長(zhǎng)為2 475 m,縱坡為1.11%,洞口局部地段采用小凈距隧道形式布置,洞身段按分離式布設(shè)。本次計(jì)算考慮了隧道最不利情況,選取K17+000~K17+100區(qū)域埋深最大處作為計(jì)算斷面,埋深達(dá)85 m,處于V級(jí)圍巖。圍巖為褐紅色泥巖、褐黃色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖夾礫巖、泥巖白云巖,以強(qiáng)風(fēng)化呈碎石土狀為主,局部可呈中風(fēng)化碎塊狀,巖質(zhì)較軟、巖體節(jié)理裂隙很發(fā)育、很破碎,呈碎裂松散結(jié)構(gòu)。地下水以松散巖類孔隙水及基巖裂隙水為主。隧道斷面如圖1所示。

        2 數(shù)值模擬

        2.1 計(jì)算假定

        本次數(shù)值模擬軟件選用MIDAS/GTS-NX,結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)情況,建模時(shí)做如下假定:(1)取隧道縱斷面每延米為計(jì)算單元作為平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行二維數(shù)值模擬;(2)考慮波紋鋼初期支護(hù)結(jié)構(gòu)處于V級(jí)圍巖中,以初期支護(hù)承擔(dān)全部圍巖壓力的80%;(3)波紋鋼結(jié)構(gòu)按照抗彎、抗拉剛度相等的原則等效為矩形鋼帶,鋼帶采用梁?jiǎn)卧M(見圖2);(4)錨桿選取3 m長(zhǎng)25×3.0中空注漿錨桿,每塊波紋鋼板(按3 m計(jì)算)施加兩根錨桿,錨桿按照受拉彈簧進(jìn)行模擬。

        2.2 材料參數(shù)選取

        根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)情況并參考設(shè)計(jì)文件,圍巖及材料力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

        2.3 圍巖荷載計(jì)算

        參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)[5-6],考慮隧道斷面情況和所處圍巖等級(jí)(其中S=5,B=12.86 m,按兩側(cè)各超挖18 cm計(jì),取i=0.1),計(jì)算可得V級(jí)圍巖深淺埋臨界深度計(jì)算值為32.148 m<85 m,因此,本次按照深埋隧道計(jì)算圍巖壓力。斷面荷載計(jì)算時(shí),根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[5-6](JTG D70-2004)計(jì)算可得垂直均布?jí)毫?05.75 kN/m、水平均布?jí)毫?02.874 kN/m,按照80%由波紋鋼初支承擔(dān)的假定計(jì)算可得:拱頂荷載為205.75 kN/m、側(cè)墻頂部荷載為82.3 kN/m、側(cè)墻底部荷載為242.3 kN/m。隧道初期支護(hù)等效荷載如圖3所示。

        2.4 計(jì)算模型建立

        本次計(jì)算選用380 mm×140 mm×5 mm型號(hào)波紋鋼作為隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。查閱《波紋鋼埋置式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工手冊(cè)》[13]得到其截面參數(shù)為:面積A=6.477 mm2/mm,慣性矩I=15 117.752 mm4/mm。為便于計(jì)算,按照抗彎、抗拉剛度等效的原則,將其等效為厚度為0.167 4 m、寬度為0.038 7 m的矩形截面鋼帶[11-15]。

        在建立二維隧道截面模型時(shí),利用曲面彈簧功能定義模型邊界條件,荷載組合為圍巖壓力+襯砌自重+地層彈簧,以波紋鋼單獨(dú)承載和波紋鋼聯(lián)合錨桿共同承載兩種情況作為計(jì)算工況,各工況模型分別如圖4、圖5所示。

        3 結(jié)果分析

        模型計(jì)算時(shí)考慮了波紋鋼單獨(dú)承載(C1)及與錨桿聯(lián)合承載兩種工況(C2),分別對(duì)荷載作用下波紋鋼的變形、軸力、剪力、彎矩進(jìn)行計(jì)算,以評(píng)價(jià)其作為初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力。限于篇幅,此處只展示C1的計(jì)算結(jié)果云圖(見圖6~10),兩種工況的計(jì)算結(jié)果以表格的形式給出(見下頁(yè)表2)。

        通過(guò)分析可知:

        (1)在荷載作用下,波紋鋼初期支護(hù)結(jié)構(gòu)整體向洞內(nèi)收斂,主要體現(xiàn)為拱頂下沉,C1最大達(dá)到6.97 cm,C2最大達(dá)到3.32 cm,且與圍巖脫空。由于用于模擬圍巖的曲面彈簧僅受壓不受拉,因此頂部曲面彈簧受力為零,位移表現(xiàn)與實(shí)際情況相符。

        (2)軸力值方面,C1最大為1 800 kN、最小為1 150 kN;C2最大為1 370 kN、最小為720 kN,均產(chǎn)生在仰拱底部附近,由拱底至拱頂逐漸減小。

        (3)剪力值方面,C1最大為88.86 kN,C2最大為139 kN,均產(chǎn)生在靠近拱頂兩側(cè)及拱腳底部,兩側(cè)拱腰的剪力值相對(duì)較小。由于錨桿對(duì)圍巖和波紋鋼產(chǎn)生了板體作用,增加軸向受力。

        (4)C1正彎矩最大值為45.1 kN·m,C2正彎矩最大值為37.3 kN·m,均發(fā)生在波紋鋼拱頂正中;而C1負(fù)彎矩最大值為40.9 kN·m,C1負(fù)彎矩最大值為30.6 kN·m,均發(fā)生在波紋鋼拱頂兩側(cè)。其原因在于波紋鋼頂部產(chǎn)生較大向下位移,而拱頂兩側(cè)相對(duì)拱頂而言向外拱起,使得波紋鋼頂部?jī)?nèi)外均產(chǎn)生拉力。

        為了更好地評(píng)價(jià)波紋鋼初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)規(guī)定[5],彎矩與軸力全部由波紋鋼承擔(dān)。兩種工況的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

        根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果可以看出:兩種工況下波紋鋼的最大應(yīng)力值分別為375.89 MPa和271.34 MPa,可見施作錨桿以后波紋鋼的最大應(yīng)力值小于屈服強(qiáng)度345 MPa。而根據(jù)美國(guó)AISI圓管規(guī)范中考慮屈曲影響的極限壓應(yīng)力確定方法,本次計(jì)算跨徑下380 mm×140 mm×5 mm型號(hào)波紋鋼結(jié)構(gòu)極限應(yīng)力取值為230 MPa,在此種條件下波紋鋼初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在兩種工況下均不滿足美國(guó)AISI管涵規(guī)范的波紋鋼強(qiáng)度驗(yàn)算條件。但考慮到美國(guó)AISI波紋鋼管涵規(guī)范中,波紋鋼管涵作為主要受力結(jié)構(gòu)主體,而V級(jí)圍巖條件下波紋鋼初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與二次襯砌共同受力,因此按照美國(guó)AISI管涵規(guī)范驗(yàn)算中的安全系數(shù)取值為1.5過(guò)于保守,若安全系數(shù)放寬至1.2,則380 mm×140 mm×5 mm型號(hào)波紋鋼初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在施加錨桿情況下采用荷載結(jié)構(gòu)法可以滿足要求[11-13]。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文基于隧道實(shí)體工程,采用荷載結(jié)構(gòu)法對(duì)波紋鋼作為初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了波紋鋼單獨(dú)承載和施加錨桿聯(lián)合承載兩種工況下的波紋鋼力學(xué)特性,主要結(jié)論如下:

        (1)在V級(jí)圍巖深埋條件下,380 mm×140 mm×5 mm型號(hào)裝配式波紋鋼單獨(dú)作為支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)承載能力不能滿足要求,具有一定風(fēng)險(xiǎn)。

        (2)與其他部位相比,裝配式波紋鋼初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形、彎矩、剪力發(fā)生在拱頂,特別是拱頂處位移應(yīng)加以控制。

        (3)錨桿可提高裝配式波紋鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力,減小拱頂位移,在結(jié)算不滿足要求時(shí),可從經(jīng)濟(jì)性、施工現(xiàn)場(chǎng)條件、截面特性等角度考慮調(diào)整波紋鋼的參數(shù),以提升整體承載力。

        (4)裝配式波紋鋼具有型鋼拱架不可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì),若能實(shí)現(xiàn)快速拼裝,未來(lái)將極大地提升隧道支護(hù)效率和安全性。

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        作者簡(jiǎn)介:李樹繁(1977—),高級(jí)工程師,主要從事公路工程研究與管理工作;

        王小明(1990—),工程師,主要從事公路工程施工管理與研究工作;

        蔣 鶴(1973—),教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事公路工程施工管理與研究工作;

        李昌洲(1986—),工程師,主要從事公路工程施工管理與研究工作。

        基金項(xiàng)目:云南省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目“裝配式波紋鋼拱形棚洞設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)研究”(云交科教〔2018〕23號(hào))

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