董 標(biāo)， 楊進(jìn)京， 殷洪波， 徐國(guó)林, *

(1. 西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院， 云南 昆明 650224； 2. 中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650200)

0 引言

深挖隧道遇軟弱圍巖時(shí)，在較高的地應(yīng)力下往往會(huì)產(chǎn)生大變形，隨后出現(xiàn)襯砌開(kāi)裂、支撐扭曲和圍巖坍塌等問(wèn)題。這些問(wèn)題可能造成重大經(jīng)濟(jì)損失，也給隧道支護(hù)技術(shù)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[1-2]。

針對(duì)軟巖大變形問(wèn)題，主要支護(hù)技術(shù)有及時(shí)強(qiáng)支護(hù)、分層多次支護(hù)和可讓式支護(hù)等[3]。及時(shí)強(qiáng)支護(hù)是指及時(shí)在剛開(kāi)挖的隧道中設(shè)置大剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，用以承載開(kāi)挖后的所有圍巖壓力，其剛度往往大于規(guī)范推薦值，結(jié)構(gòu)處于高應(yīng)力狀態(tài)[4]；分層支護(hù)是一種通過(guò)多次支護(hù)以彌補(bǔ)剛度不足的支護(hù)方式，但因?yàn)槠茐氖且粋€(gè)快速的過(guò)程，采用分層支護(hù)時(shí)，常出現(xiàn)因支護(hù)不及時(shí)而坍塌的現(xiàn)象，為此楊峰[5]對(duì)支護(hù)的施作時(shí)機(jī)進(jìn)行了研究；讓壓支護(hù)是一種通過(guò)釋放圍巖位移降低圍巖壓力，釋放變形的同時(shí)提供穩(wěn)定承載力的新型支護(hù)方式[6]。合理的支護(hù)措施應(yīng)是“邊支護(hù)邊讓壓，抗讓結(jié)合”，這樣既能解決及時(shí)強(qiáng)支護(hù)不經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題，又能解決分層支護(hù)不及時(shí)的問(wèn)題。因此，目前讓壓支護(hù)被認(rèn)為是最佳的支護(hù)方式，本文解決軟巖大變形問(wèn)題也正是基于此理論。

常用的讓壓支護(hù)結(jié)構(gòu)有讓壓錨桿、可伸縮鋼拱和可壓縮層等。讓壓錨桿[7-8]應(yīng)用最早且最廣泛，但當(dāng)變形過(guò)大時(shí)，常出現(xiàn)襯砌開(kāi)裂、錨桿拉斷等問(wèn)題?？缮炜s性鋼拱支撐[9-10]通過(guò)接頭滑移實(shí)現(xiàn)位移釋放，但常因接頭變形失去滑移性能。文獻(xiàn)[11-13]對(duì)可壓縮層進(jìn)行研究，提出“管片襯砌碎石”和“管片襯砌陶?！?種可壓縮層結(jié)構(gòu)，并對(duì)可壓縮混凝土和膨脹黏土進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值分析。仇文革等[14]提出一種利用材料延性實(shí)現(xiàn)能量釋放的限阻器，但限阻器存在變形不可控和容易引起局部失穩(wěn)的問(wèn)題。此外，還有學(xué)者對(duì)支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究以實(shí)現(xiàn)更好的支護(hù)效果，如汪波等[6]提出讓壓錨桿、可伸縮鋼拱架和變形控制器相結(jié)合的讓壓支護(hù)系統(tǒng);胡雄玉等[12]提出錨桿、可壓縮層和管片襯砌共同作用的支護(hù)體系；文獻(xiàn)[15]提出“U型鋼架+注漿錨桿”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

綜上所述，目前讓壓功能主要通過(guò)材料屈服變形實(shí)現(xiàn)，但工作時(shí)材料承載力下降，存在失穩(wěn)問(wèn)題。本文通過(guò)構(gòu)件滑動(dòng)摩擦和擠壓實(shí)現(xiàn)變形釋放，提出一種變形可控的讓壓節(jié)點(diǎn)，并采用數(shù)值模擬和原型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度和讓壓性能進(jìn)行分析。

1 讓壓原理及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1.1 讓壓原理

隧道開(kāi)挖后，圍巖中賦存的能量較大，待完成支護(hù)后，圍巖與支護(hù)相互作用直到平衡。從開(kāi)挖到圍巖和支護(hù)相互作用平衡這一過(guò)程如圖1所示。圍巖邊界產(chǎn)生Δu(t)的相對(duì)位移，支護(hù)邊界產(chǎn)生Δu*的位移，平衡時(shí)圍壓p(t)與支護(hù)徑向力p*相等。

圖1 開(kāi)挖—圍巖和支護(hù)作用平衡的過(guò)程

傳統(tǒng)強(qiáng)支護(hù)是一種剛性支護(hù)，到達(dá)穩(wěn)定時(shí)相對(duì)位移Δu*較小，支護(hù)徑向力p*較大。為保證支護(hù)安全，因而使用更多的支護(hù)材料，但當(dāng)作用到初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力超過(guò)承載極限時(shí)，會(huì)出現(xiàn)初期支護(hù)變形甚至垮塌的問(wèn)題。

圍巖與強(qiáng)支護(hù)和讓壓支護(hù)在圍壓下的特征線如圖2所示，圖中虛線表示支護(hù)剩余性能。強(qiáng)支護(hù)全過(guò)程與讓壓支護(hù)前期的性能特點(diǎn)是位移增量小，承載力變化快，其中讓壓支護(hù)力到達(dá)一定值后，增量變小，直到平衡或讓壓結(jié)束。圖2中，讓壓特征線到達(dá)平衡的圍壓遠(yuǎn)低于強(qiáng)支護(hù)，圍壓越低支護(hù)越安全。進(jìn)一步可得出，若能有控制地釋放圍巖變形，將會(huì)提高支護(hù)安全性。

圖2 支護(hù)特征線

對(duì)圖2中4條支護(hù)特征線的性能進(jìn)行分析可知： 1)強(qiáng)支護(hù)中的一條到達(dá)支護(hù)極限但未到達(dá)平衡，此支護(hù)下將發(fā)生坍塌；另一條在近支護(hù)極限位置到達(dá)平衡，但此支護(hù)是危險(xiǎn)的。2)有水平讓壓段支護(hù)的平衡點(diǎn)最低，在4組支護(hù)中最安全；無(wú)水平讓壓段支護(hù)的讓壓值隨位移線性變化，在4組中安全儲(chǔ)備最高。2條讓壓特征線均有較多的剩余性能，屬于設(shè)計(jì)過(guò)剩，可在保證安全的條件下減少鋼材用量，降低工程成本。

1.2 構(gòu)造設(shè)計(jì)

仇文革等[14]提出利用材料峰后性能釋放圍巖壓力的限阻器。該限阻器由兩相向連接板和兩連接板之間的豎向限阻板組成。在豎向力作用下，限阻板屈服變形，實(shí)現(xiàn)壓力釋放；限阻器在屈服后出現(xiàn)斷崖式支護(hù)抗力變化，減小值占初始峰值的60%左右。劇烈的支護(hù)抗力變化，更多地考慮了讓壓性能，而削弱了支護(hù)功能。

為改進(jìn)限阻器屈服變形過(guò)程不可控這一問(wèn)題，提出利用滑槽引導(dǎo)釋放變形的讓壓節(jié)點(diǎn)，讓壓節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及裝配如圖3所示。讓壓節(jié)點(diǎn)由內(nèi)槽鋼、外槽鋼和高強(qiáng)螺栓組成，內(nèi)、外槽鋼之間采用型號(hào)為GT/B 1228 M16×60的高強(qiáng)螺栓連接，槽鋼尺寸見(jiàn)表1?；坶L(zhǎng)度為50 mm，鋼材類(lèi)型均為Q235，滑槽面參數(shù)如圖4所示，詳細(xì)尺寸見(jiàn)表2。

(a) 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

表1 槽鋼尺寸

圖4 滑槽面參數(shù)

表2 滑槽面參數(shù)尺寸

1.3 螺栓受剪強(qiáng)度

高強(qiáng)螺栓滑動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)預(yù)緊力松弛特性[16]，假定滑動(dòng)過(guò)程中無(wú)預(yù)緊力損失，摩擦面抗滑移系數(shù)不會(huì)因接觸面破壞而改變，對(duì)高強(qiáng)螺栓受剪性能進(jìn)行分析。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，其受剪承載力

N=0.9kNfμp。

(1)

式中：k為孔型系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)孔取1.0；Nf為傳力摩擦面數(shù)目；μ為抗滑移系數(shù)，Q235鋼未處理的表面取0.3；p為高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力設(shè)計(jì)值，M16 mm 10.9級(jí)取100 kN。

由式(1)計(jì)算得每個(gè)螺栓受剪承載力設(shè)計(jì)值為54 kN。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有4個(gè)高強(qiáng)螺栓，I160工字鋼極限承載力為200 kN，每個(gè)螺栓最大荷載為50 kN，小于受剪承載力設(shè)計(jì)值，不會(huì)發(fā)生剪切破壞。

2 數(shù)值模擬

圍巖擠壓作用下，隧道支撐受徑向和軸向作用，下文將通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)讓壓節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度、抗壓強(qiáng)度和讓壓性能進(jìn)行分析。

2.1 模型概況

在ABAQUS中建立讓壓節(jié)點(diǎn)模型。截取一段工字鋼用以施加和傳遞荷載，工字鋼尺寸見(jiàn)表3；所有構(gòu)件采用Q235鋼材，彈性模量為206 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，屈服極限為235 N/mm2，采用理想彈塑性本構(gòu)模型；螺栓采用C3D4單元，其余構(gòu)件采用C3D8R單元。在下單元工字鋼底部設(shè)置3個(gè)方向的位移約束，上單元工字鋼頂部施加荷載，初始增量步為0.01，最小增量步為1×10-5，采用動(dòng)力隱式方法求解。

表3 工字鋼尺寸

接觸特性和螺栓預(yù)緊力的設(shè)置如下： 在上下工字鋼和內(nèi)外槽鋼底板之間及螺桿與螺母之間設(shè)置綁定接觸，其余所有接觸面和內(nèi)外槽鋼底板之間設(shè)置摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0.15；螺栓預(yù)緊力通過(guò)螺桿軸向拉力實(shí)現(xiàn)，在螺桿內(nèi)的剖切面上施加，并為其指定螺栓軸位置，且為保證計(jì)算收斂，應(yīng)作為線性荷載在初始分析步中施加。

2.2 徑向作用

圍壓作用下鋼拱支撐承受徑向作用，傳統(tǒng)法蘭板連接節(jié)點(diǎn)滿(mǎn)足承載力要求，破壞一般發(fā)生在支撐上。為分析讓壓節(jié)點(diǎn)是否滿(mǎn)足徑向承載力要求，在工字鋼頂部施加10 kN的水平力，對(duì)比讓壓節(jié)點(diǎn)與法蘭板連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布(如圖5所示)，形變比例為1∶1?？梢园l(fā)現(xiàn)，讓壓節(jié)點(diǎn)發(fā)生偏壓滑動(dòng)，與法蘭板連接的節(jié)點(diǎn)相比，屈服的范圍和變形幅度更小，故抗剪和抗偏壓性能更高。也可從構(gòu)造上對(duì)這一性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，因?yàn)樽寜汗?jié)點(diǎn)中有4塊加勁板，承載力強(qiáng)于法蘭板螺栓。

(a) 讓壓節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

2.3 軸向作用

在預(yù)緊力分別為30、60、90 kN時(shí)，分析直滑槽和徑縮槽2種滑槽類(lèi)型讓壓節(jié)點(diǎn)的讓壓性能和受力分布情況。荷載-位移曲線數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。圖中，00表示直滑槽，02表示徑縮滑槽，其后數(shù)值表示預(yù)緊力值。90 kN預(yù)緊力下直滑槽等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D7所示。

圖6 荷載-位移數(shù)值模擬曲線

(a) 底板

由圖6中可知： 1)同一滑槽的性能曲線趨勢(shì)相同； 2)直滑槽呈水平趨勢(shì)，預(yù)緊力越大荷載越大； 3)徑縮滑槽先水平后上升，預(yù)緊力越大荷載上升越早； 4)對(duì)比同一預(yù)緊力下不同滑槽性能曲線可知，除徑縮滑槽上升段外，其余部分均重合。

由圖7可以看出： 1)90 kN預(yù)緊力下，直滑槽與工字鋼接觸的4個(gè)邊角塑性應(yīng)變最大，且從外槽鋼4個(gè)焊腳向45°方向延伸； 2)螺栓下滑面上發(fā)生塑性變形，口徑外側(cè)強(qiáng)于內(nèi)側(cè)，塑性應(yīng)變分布較集中。

采用300 kN軸力和90 kN螺栓預(yù)緊力建立讓壓節(jié)點(diǎn)有限元模型，并與傳統(tǒng)工字鋼拱架法蘭板連接模型進(jìn)行對(duì)比，其位移與應(yīng)力分布對(duì)比如圖8所示。由圖8可知，讓壓節(jié)點(diǎn)豎向位移約為傳統(tǒng)法蘭板連接節(jié)點(diǎn)位移的7.8倍，但讓壓完成后其承載特性與法蘭板連接節(jié)點(diǎn)相同，具備支護(hù)特性與讓壓特性；不足之處在于讓壓節(jié)點(diǎn)用鋼量約為法蘭板式節(jié)點(diǎn)的3倍，加工較復(fù)雜。

(a) 位移對(duì)比(單位： mm)

對(duì)2種滑槽的讓壓節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線按工作過(guò)程進(jìn)行劃分，如圖9所示。圖中，曲線00-30分為彈性上升段和恒阻段，曲線02-30分為彈性上升段、恒阻段和強(qiáng)阻段。彈性上升段中荷載和位移近似線性關(guān)系，此階段螺栓尚未滑移，位移量主要由材料彈性變形產(chǎn)生；恒阻段荷載保持恒定，螺栓滑動(dòng)，阻力由摩擦力提供；強(qiáng)阻段中的阻力由接觸面摩擦力和擠壓力2部分組成，擠壓阻力隨位移增加而增加，整體趨勢(shì)為線性上升。

圖9 讓壓節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程

由數(shù)值模擬結(jié)果可以知，讓壓節(jié)點(diǎn)工作曲線符合讓壓理論，與理想工作曲線相接近，符合預(yù)期性能目標(biāo)。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)節(jié)點(diǎn)的讓壓性能做進(jìn)一步探究，試驗(yàn)條件與數(shù)值模擬相同。1)加工讓壓節(jié)點(diǎn)； 2)采用型號(hào)為231005的CENECA力矩扳手施加螺栓預(yù)緊力，將螺栓預(yù)緊力轉(zhuǎn)換為力矩，力矩系數(shù)K=0.187 5； 3)采用微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)(YAW-5000F)進(jìn)行加載，加載方式為程控，荷載大小為200 kN，速度為1 kN/s。讓壓節(jié)點(diǎn)組裝完成后如圖10所示。

(a)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

不同滑槽類(lèi)型的讓壓節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)載荷-位移曲線如圖11所示。由圖11可知： 1)在30、60、90 kN預(yù)緊力下，開(kāi)始工作荷載依次為25、45、50 kN； 2)45 mm位移下，最大荷載約為175 kN，最小荷載約為25 kN； 3)所有曲線初期存在小臺(tái)階，本文認(rèn)為這是大壓力機(jī)對(duì)小荷載的控制精度不足造成的二次再加載。

圖11 讓壓節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)荷載-位移曲線

查看加載后的試件發(fā)現(xiàn)，大預(yù)緊力和徑縮滑槽的節(jié)點(diǎn)發(fā)生局部破壞，螺栓與內(nèi)外槽鋼接觸面上發(fā)生破壞，內(nèi)槽鋼加勁板彎曲，如圖12所示。

圖12 破壞的試件

從整體上看，內(nèi)外槽鋼滑動(dòng)時(shí)，能提供穩(wěn)定支護(hù)力，可通過(guò)孔徑和預(yù)緊力控制滑動(dòng)阻力。從細(xì)部上看，豎向荷載作用下，螺栓受拉，滑槽面和加勁板受壓，當(dāng)內(nèi)外槽鋼底部接觸時(shí)，上下單元形成荷載連通，此時(shí)的承載力取決于工字鋼的強(qiáng)度。

3.3 結(jié)果對(duì)比

對(duì)比直滑槽型讓壓節(jié)點(diǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，荷載-位移曲線如圖13所示。圖中“S”表示數(shù)值模擬結(jié)果，“T”表示試驗(yàn)結(jié)果，其后參數(shù)表示預(yù)緊力。

圖13 直滑槽型讓壓節(jié)點(diǎn)數(shù)值模擬與試驗(yàn)荷載-位移曲線

圖13中，低預(yù)緊力下數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較小，但隨預(yù)緊力增大誤差變大。在45 mm處，二者最大荷載相差約10%，由此分析螺栓受拉預(yù)緊力松弛、接觸面破壞和滑槽面板彎曲是引起誤差的主要因素。

3.4 耗能分析

用位移與荷載乘積表示耗能，直滑槽和徑縮滑槽2種讓壓節(jié)點(diǎn)的耗能-預(yù)緊力折線如圖14所示。從圖中可以看出： 直滑槽型節(jié)點(diǎn)耗能-預(yù)緊力線性增大，徑縮滑槽型節(jié)點(diǎn)有拐點(diǎn)；同一預(yù)緊力下，徑縮滑槽型節(jié)點(diǎn)耗能高于直滑槽型節(jié)點(diǎn)的耗能。綜上表明，預(yù)緊力和滑槽類(lèi)型對(duì)耗能影響大。

圖14 耗能-預(yù)緊力折線

3.5 工程應(yīng)用結(jié)果

實(shí)際工程中，可通過(guò)布置多個(gè)節(jié)點(diǎn)和/或適當(dāng)加長(zhǎng)滑槽長(zhǎng)度滿(mǎn)足更大滑移量需求。在噴射混凝土以后，滑動(dòng)性能不受影響，但滑動(dòng)會(huì)引起噴射混凝土局部擠壓破裂，可預(yù)留噴射混凝土后澆帶(待讓壓后再澆筑區(qū)域)。

讓壓節(jié)點(diǎn)通常布置在拱頂、拱腰和拱腳位置，實(shí)際數(shù)量根據(jù)圍巖類(lèi)別、圍壓分布、隧道跨度等因素確定。組裝時(shí)，直接將節(jié)點(diǎn)內(nèi)槽鋼底板與單元一端焊接，待調(diào)整好位置后，再將外槽鋼底板與下單元焊接。

4 結(jié)論與討論

讓壓節(jié)點(diǎn)能夠解決傳統(tǒng)強(qiáng)支護(hù)和分層多次支護(hù)用于高地應(yīng)力隧道時(shí)，工程經(jīng)濟(jì)性差和支護(hù)安全性低的難題?；谧寜杭夹g(shù)，本文提出新型讓壓節(jié)點(diǎn)，研究節(jié)點(diǎn)滑槽類(lèi)型和預(yù)緊力對(duì)其側(cè)向剛度和軸向讓壓性能的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1)新型讓壓節(jié)點(diǎn)利用接觸面摩擦滑移釋放節(jié)點(diǎn)變形，滑動(dòng)時(shí)能提供穩(wěn)定的承載力，符合“邊支護(hù)邊讓壓，抗讓結(jié)合”的理念。

2)讓壓節(jié)點(diǎn)抗剪性能強(qiáng)，其釋放的變形量約為法蘭板連接節(jié)點(diǎn)的7.8倍，且釋放變形后不影響支護(hù)性能，施工方便，可用于軟巖變形隧道。

3)本文僅分析了滑槽形狀和預(yù)緊力對(duì)節(jié)點(diǎn)讓壓性能的影響，未考慮巖土類(lèi)別、隧道埋深、節(jié)點(diǎn)布置位置以及施工斷面不平整引起的受力不均等影響因素。