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，隨著我國國民經(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（見下頁表2）。

通過分析可知：

（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AISI管涵規(guī)范的波紋鋼強(qiáng)度驗(yàn)算條件。但考慮到美國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AISI管涵規(guī)范驗(yàn)算中的安全系數(shù)取值為1.5過于保守，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

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)）