劉蕤源　高新強　張景　朵生君　楊雨平　朱正國

摘要：基于讓壓支護理論，采用巖體力學(xué)計算模型，運用FLAC 3D差分元軟件計算分析了深埋隧道施工過程中傳統(tǒng)栓接式鋼架和新型鉸接鋼架的受力變形特征。結(jié)果表明：傳統(tǒng)栓接式鋼架比鉸接式鋼架有利于控制圍巖位移;鉸接式鋼架更能適應(yīng)高地應(yīng)力圍巖大變形隧道圍巖壓力的較均勻調(diào)整，防止初支發(fā)生嚴(yán)重破壞。傳統(tǒng)栓接式鋼架比鉸接式鋼架產(chǎn)生的鋼架位移較小;但在接頭位置傳統(tǒng)栓接式鋼架彎矩較大，鉸接式鋼架接頭位置彎矩為零。噴混混凝土最大壓應(yīng)力基本不受鋼架接頭形式的影響，鉸接式鋼架節(jié)點部位初支偏心矩減小，安全性增加，其他位置初支的安全性基本不變。

關(guān)鍵詞：軟巖大變形;讓壓支護;鉸接式拱架;栓接式拱架

中圖分類號：U455 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）07-0141-06

Comparative analysis of deformation characteristics between

new articulated arch frame and traditional bolted arch frame

LIU Ruiyuan GAO Xinqiang ZHANG Jing DOU Shengjun YANG Yuping ZHU Zhengguo

（1.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China;

2. Engineering Research Center of Railway Industry of Construction Technology for Long Tunnel in Special

and Complex Environment， Xi’an

710043， China;? 3.State Key Laboratory of Mechanics Behavior and System Safety of Traffic Engineering

Structures，Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043， China;4. School of Civil Engineering，

Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043， China）

Abstract：Based on the compression support theory， this paper uses rock mass mechanics calculation model and FLAC 3D differential element software to calculate and analyze the force and deformation characteristics of traditional bolted steel frame and new articulated steel frame during the construction of deep-buried tunnels. The research results show that： The traditional bolted steel frame is more conducive to controlling the displacement of the surrounding rock than the articulated steel frame， and the articulated steel frame is more able to adapt to the more uniform adjustment of the surrounding rock pressure of the high ground stress surrounding rock and large deformation tunnel， preventing initial support Serious damage occurred; The displacement of the traditional bolted steel frame is smaller than that of the articulated steel frame， but the bending moment of the traditional bolted steel frame at the joint position is larger， and the bending moment of the joint position of the articulated steel frame is zero;? The maximum compressive stress of sprayed concrete is basically not affected by the joint form of the steel frame. The eccentric moment of the initial support at the joint of the articulated steel frame is reduced， and the safety is increased. The safety of the initial support at other positions is basically unchanged.

Key words：soft rock large deformation; pressure relief support; articulated arch; bolted arch

在高地應(yīng)力軟巖地層中修建隧道，受初始應(yīng)力水平高，圍巖強度低、性狀差、遇水易軟化等因素的影響，往往會出現(xiàn)諸如隧道凈空侵限、鋼架扭曲變形、噴混凝土開裂或掉塊等問題，嚴(yán)重影響正常施工，對保證隧道工程質(zhì)量和建成后正常運營提出了嚴(yán)峻考驗。如木寨嶺隧道[1]、大梁隧道[2]、烏鞘嶺隧道[3]、兩水隧道[4]和堡鎮(zhèn)隧道[5]等在施工過程均出現(xiàn)了不同程度的大變形災(zāi)害。

目前國內(nèi)外對高地應(yīng)力軟巖大變形隧道的支護主要采用及時支護-強支護、分層支護和可縮式支護[6]。及時支護-強支護就是在隧道開挖后，通過及時施作高強度、密間距的鋼架來限制圍巖變形。大量工程實踐表明，在深埋軟弱圍巖隧道施工過程，開挖后及時施做強支護，限制了圍巖內(nèi)部能量釋放，使得容許變形量較小，會發(fā)生鋼架扭曲、混凝土開裂、掉塊甚至塌方等現(xiàn)象。對于分層支護，主要是將初支分多層不同時段進行支護來控制圍巖大變形，但目前在分層支護時機和分層厚度等方面還沒有較為成熟的理論研究。傳統(tǒng)的及時支護-強支護和分層支護理念不能完全適應(yīng)控制高地應(yīng)力軟巖隧道變形的要求。

隨著對高地應(yīng)力軟巖大變形隧道控制技術(shù)研究不斷深入，出現(xiàn)了越來越多“剛?cè)岵钡男滦椭ёo結(jié)構(gòu)，其中具有代表性的就是可縮式鋼架支護形式。如有學(xué)者提出的U型鋼可縮式鋼架，減少了鋼架因扭轉(zhuǎn)、翹曲破壞而失效情況的發(fā)生[7]。還有自主研發(fā)的“限制支護阻力阻尼器”，并在蒙華鐵路深埋老黃土段隧道推行應(yīng)用[8]。又有根據(jù)“及時-強-讓壓支護”設(shè)計理念提出由讓壓錨桿+可縮性鋼拱架+帶變形槽或讓壓控制器的噴射混凝土組成的讓壓支護系統(tǒng)[9]。設(shè)計了兼具定量增阻和讓壓功能的鋼管混凝土可縮性節(jié)點[10]。提出了一種自適應(yīng)鋼拱架節(jié)點，具有恒阻力可控、節(jié)點的承載讓壓機制明確、方便設(shè)計和控制等優(yōu)點[11]。設(shè)計的鋼筋網(wǎng)殼噴層襯砌結(jié)構(gòu)中可縮接頭使襯砌具有一定的讓壓性能[12]。依托贛龍鐵路天心山隧道進口段軟弱膨脹圍巖段的實際地質(zhì)情況，設(shè)計了柔性可縮性工字鋼支架并對其施工方法進行了闡述。認(rèn)為U型鋼可縮性支架的承載能力主要取決于支架自身的整體穩(wěn)定性，并闡述了卡纜預(yù)緊力對支架抗縮動能力的影響以及鋼架縮動后的內(nèi)力計算方法[14-16]。又有提出了雙可縮聯(lián)合支護形式，成功控制了茂名軟巖礦區(qū)巷道變形與底鼓問題[17]。

雖然可縮式鋼架支護在理論研究和工程實踐方面都有了長足的進展，但大多數(shù)是針對U型可縮式鋼架的，而U型可縮式鋼架在施工過程可能存在因搭接部位的內(nèi)力組合達不到滿足縮動條件的最小值而產(chǎn)生拒縮現(xiàn)象，達不到預(yù)期的支護效果。因此，本文基于既能使圍巖能量得到釋放，又保證不會產(chǎn)生過大變形影響隧道穩(wěn)定的思想和可縮式鋼架支護理論，提出鋼架節(jié)點采用鉸接，讓其有一定變形能力的可轉(zhuǎn)動工字型型鋼鋼架。采用巖體力學(xué)模型，運用FLAC 3D有限差分元軟件分析在Ⅳ級圍巖條件下超深埋隧道臺階法施工過程中采用新型鉸接式拱架和傳統(tǒng)的栓接式拱架結(jié)構(gòu)受力變形特征和洞周變形規(guī)律研究，包括拱頂沉降的變化，上、下臺階水平位移的變化等。

1可縮式鋼架支護理論

軟巖大變形隧道具有隨著時間增長圍巖變形不斷累積的特點，所以作用在鋼架上的壓力較大。當(dāng)作用在鋼架上的壓力超過了鋼材的極限抗壓強度，鋼架會因強度不足發(fā)生破壞。根據(jù)文獻[18]的研究可知，傳統(tǒng)的鋼架支護和系統(tǒng)錨桿因不具備伸縮性和可動性，導(dǎo)致儲存在圍巖內(nèi)部的能量無法釋放，較大的形變壓力往往會導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)的破壞。因此，對大變形隧道，應(yīng)采用既能適應(yīng)圍巖變形的需要，又能提供穩(wěn)定恒阻力的新型鋼架支護結(jié)構(gòu)。剛性拱架和可縮動鋼架支護力學(xué)曲線，具體如圖1所示。

由圖1可知，隨著圍巖變形增加，剛性拱架受力不斷增加;而可縮式鋼架相比于剛性拱架支撐多了恒阻位移段。在恒阻位移段，圍巖變形增加但鋼架受力保持不變，這對鋼架受力是有利的。曲線①、曲線②與曲線③交點不同，意味著鋼架提供相同支護力。采用可縮式鋼架支撐允許圍巖產(chǎn)生的變形更大，這大大降低了鋼架發(fā)生扭曲變形的幾率，有利于維持隧道的長期穩(wěn)定。

可縮式鋼架的恒阻力可通過在鋼架接頭位置增設(shè)讓壓裝置和節(jié)點鉸接來實現(xiàn)。如圖2是一U型鋼拱架可縮結(jié)構(gòu)的受力分析圖。

當(dāng)接頭位置承受的軸力N超過搭接部位型鋼和卡纜之間的摩擦力，鋼架發(fā)生可縮變形，鋼架縮動條件滿足：

由上式可知，卡纜的預(yù)緊力N對鋼架的縮動效果有著重要影響。預(yù)緊力越大，卡纜與型鋼之間的摩擦力越大，鋼架的縮動變形越小，讓壓效果不明顯;預(yù)緊力太小，鋼架變形大，達不到控制圍巖變形的效果。所以，在設(shè)計時要合理選取預(yù)緊力的大小。此外，支護結(jié)構(gòu)不光受到圍巖的豎向壓力，還有側(cè)向的水平壓力，所以在安裝鋼架時要同時滿足鋼架在水平和豎直方向的縮動變形，提高整體適應(yīng)變形的能力。

本文采用的是通過高強度螺栓連接的鉸接結(jié)構(gòu)。

2數(shù)值模型及計算參數(shù)

以某單線鐵路隧道為對象建立數(shù)值模型，隧道最大開挖跨度9.1 m，開挖高度10.22 m，具體如圖3所示。

隧道埋深按1 500 m考慮，僅考慮自重應(yīng)力的影響。數(shù)值模型在長、寬、高3個方向的尺寸分別為60、80和80 m，在模型底部與前后左右邊界面施加位移邊界條件限制法向位移，模型上邊界施加應(yīng)力邊界條件，將模型頂面以上覆土自重31.39 MPa施加到模型頂面上;數(shù)值模型具體如圖4所示。

采用“兩臺階法”開挖，上臺階高4.0 m，上臺階長3.0 m。為了研究鉸接式拱架和傳統(tǒng)的栓接式拱架連接處結(jié)構(gòu)受力特征的力學(xué)變化規(guī)律，計算過程通過將鋼架連接處分別設(shè)置為剛接點和鉸接點來模擬鉸接式鋼架和傳統(tǒng)栓接式鋼架，鋼架接頭位置如圖5所示。

將圍巖和噴混凝土均視為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性介質(zhì)，采用實體單元模擬，圍巖和噴混凝土采用摩爾-庫倫力學(xué)模型，錨桿采用Cable單元模擬，鋼拱架型號18號工字鋼，采用Beam結(jié)構(gòu)單元，錨桿和鋼架采用彈性力學(xué)模型。圍巖及初期支護材料的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB 10003—2016）選取，具體如表1所示。

3計算結(jié)果分析

3.1圍巖位移

不同鋼架連接形式圍巖位移云圖（單位：m），結(jié)果如圖6所示;不同鋼架連接形式洞周圍巖位移，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，鋼架接頭采用不同的連接形式圍巖位移大小不同。采用鉸接式鋼架時，拱頂沉降139.37 mm，采用傳統(tǒng)栓接式鋼架拱頂沉降115.51 mm，比鉸接式鋼架減小了17.12%;采用鉸接式鋼架，上臺階拱腳水平位移107.20 mm，采用傳統(tǒng)栓接式鋼架上臺階拱腳水平位移81.97 mm，減小了23.54%;采用鉸接式鋼架下臺階拱腳水平位移58.22 mm，采用傳統(tǒng)栓接式鋼架下臺階拱腳水平位移42.34 mm，減小了27.28%。由此可見，采用傳統(tǒng)栓接式鋼架產(chǎn)生的圍巖位移更小，鉸接式鋼架更能適應(yīng)高地應(yīng)力圍巖大變形的隧道初支。

3.2鋼架受力和變形規(guī)律分析

鉸接式鋼架和傳統(tǒng)栓接式鋼架彎矩圖（單位：KN·m），具體如圖7所示;鋼架接頭位置彎矩，結(jié)果如表3所示。

由圖7可知，鉸接式鋼架和傳統(tǒng)栓接式鋼架彎矩沿隧道中線左右對稱分布。鉸接式鋼架接頭位置彎矩很小，近似為零;傳統(tǒng)栓接式鋼架接頭位置彎矩不為零。

鉸接式鋼架和栓接式鋼架位移云圖（單位：m），結(jié)果如圖8所示;鋼架接頭位置位移，結(jié)果如表4所示。

從表4可知，傳統(tǒng)栓接式鋼架拱頂沉降41.18 mm，比鉸接式鋼架拱頂沉降47.01 mm減小了12.40%;傳統(tǒng)栓接式鋼架拱肩水平位移25.31 mm，比鉸接式鋼架拱肩水平位移減小了3.51%;傳統(tǒng)栓接式鋼架上臺階拱腳水平位移67.77 mm，比鉸接式鋼架上臺階拱腳水平位移減小了15.66%;傳統(tǒng)栓接式鋼架下臺階拱腳水平位移13.92 mm，比鉸接式鋼架下臺階拱腳水平位移減小了13.59%。由此可見，采用傳統(tǒng)栓接式鋼架產(chǎn)生的位移更小，鉸接式鋼架更能適應(yīng)高地應(yīng)力圍巖大變形的隧道初支。

3.3噴混凝土應(yīng)力規(guī)律

傳統(tǒng)栓接式鋼架和鉸接式鋼架噴混凝土應(yīng)力（單位：Pa），結(jié)果如圖9所示。

從圖9可知，采用鉸接式鋼架噴混凝土最大壓應(yīng)力為21.31 MPa，采用傳統(tǒng)栓接式鋼架噴混凝土最大壓應(yīng)力為21.19 MPa，二者相差不足1%。所以，無論是采用鉸接式鋼架還是傳統(tǒng)栓接式鋼架，對噴混凝土應(yīng)力基本沒有影響，初期支護的安全性基本不變。

綜上所述，新型鉸接式鋼架因其良好的變形特性，更能適應(yīng)高地應(yīng)力圍巖大變形隧道支護;同時也適用于偏壓型隧道支護。

4結(jié)語

基于可塑式鋼架支護既能使圍巖能量得到釋放，又能保證圍巖穩(wěn)定的理論，提出了鋼架節(jié)點采用鉸接可轉(zhuǎn)動工字型型鋼鋼架，并采用數(shù)值方法研究了節(jié)點受力變形特征。

（1）傳統(tǒng)栓接式鋼架比鉸接式鋼架有利于控制圍巖位移，鉸接式鋼架能實現(xiàn)對圍巖壓力的均勻調(diào)整，使初支處于較低應(yīng)力狀態(tài)，防止初支因破壞不能繼續(xù)承載或發(fā)生嚴(yán)重變形不利于繼續(xù)承載現(xiàn)象的發(fā)生;

（2）傳統(tǒng)栓接式鋼架比鉸接式鋼架產(chǎn)生的鋼架位移較小。但在接頭位置傳統(tǒng)栓接式鋼架彎矩較大，鉸接式鋼架接頭位置彎矩為零;

（3）無論采用鉸接式鋼架還是傳統(tǒng)栓接式鋼架，噴混混凝土最大壓應(yīng)力基本保持不變，鉸接式鋼架節(jié)點部位初支偏心矩減小，安全性增加，其他位置初支的安全性基本不變;

（4）新型鉸接式鋼架，能更好的適應(yīng)高地應(yīng)力軟巖大變形隧道支護。因其能對圍巖壓力的均勻調(diào)整，對存在偏壓的隧道也同樣適用。

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