劉蕤源 高新強(qiáng) 張景 朵生君 楊雨平 朱正國(guó)
摘要:基于讓壓支護(hù)理論,采用巖體力學(xué)計(jì)算模型,運(yùn)用FLAC 3D差分元軟件計(jì)算分析了深埋隧道施工過(guò)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(diǎn)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(hù);鉸接式拱架;栓接式拱架
中圖分類號(hào):U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):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(qiáng)度低、性狀差、遇水易軟化等因素的影響,往往會(huì)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(wèn)題,嚴(yán)重影響正常施工,對(duì)保證隧道工程質(zhì)量和建成后正常運(yùn)營(yíng)提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。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(guò)程均出現(xiàn)了不同程度的大變形災(zāi)害。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高地應(yīng)力軟巖大變形隧道的支護(hù)主要采用及時(shí)支護(hù)-強(qiáng)支護(hù)、分層支護(hù)和可縮式支護(hù)[6]。及時(shí)支護(hù)-強(qiáng)支護(hù)就是在隧道開挖后,通過(guò)及時(shí)施作高強(qiáng)度、密間距的鋼架來(lái)限制圍巖變形。大量工程實(shí)踐表明,在深埋軟弱圍巖隧道施工過(guò)程,開挖后及時(shí)施做強(qiáng)支護(hù),限制了圍巖內(nèi)部能量釋放,使得容許變形量較小,會(huì)發(fā)生鋼架扭曲、混凝土開裂、掉塊甚至塌方等現(xiàn)象。對(duì)于分層支護(hù),主要是將初支分多層不同時(shí)段進(jìn)行支護(hù)來(lái)控制圍巖大變形,但目前在分層支護(hù)時(shí)機(jī)和分層厚度等方面還沒(méi)有較為成熟的理論研究。傳統(tǒng)的及時(shí)支護(hù)-強(qiáng)支護(hù)和分層支護(hù)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(duì)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(lái)越多“剛?cè)岵?jì)”的新型支護(hù)結(jié)構(gòu),其中具有代表性的就是可縮式鋼架支護(hù)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(hù)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(shí)-強(qiáng)-讓壓支護(hù)”設(shè)計(jì)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(hù)系統(tǒng)[9]。設(shè)計(jì)了兼具定量增阻和讓壓功能的鋼管混凝土可縮性節(jié)點(diǎn)[10]。提出了一種自適應(yīng)鋼拱架節(jié)點(diǎn),具有恒阻力可控、節(jié)點(diǎn)的承載讓壓機(jī)制明確、方便設(shè)計(jì)和控制等優(yōu)點(diǎn)[11]。設(shè)計(jì)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(jìn)口段軟弱膨脹圍巖段的實(shí)際地質(zhì)情況,設(shè)計(jì)了柔性可縮性工字鋼支架并對(duì)其施工方法進(jìn)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(duì)支架抗縮動(dòng)能力的影響以及鋼架縮動(dòng)后的內(nèi)力計(jì)算方法[14-16]。又有提出了雙可縮聯(lián)合支護(hù)形式,成功控制了茂名軟巖礦區(qū)巷道變形與底鼓問(wèn)題[17]。
雖然可縮式鋼架支護(hù)在理論研究和工程實(shí)踐方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)展,但大多數(shù)是針對(duì)U型可縮式鋼架的,而U型可縮式鋼架在施工過(guò)程可能存在因搭接部位的內(nèi)力組合達(dá)不到滿足縮動(dòng)條件的最小值而產(chǎn)生拒縮現(xiàn)象,達(dá)不到預(yù)期的支護(hù)效果。因此,本文基于既能使圍巖能量得到釋放,又保證不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大變形影響隧道穩(wěn)定的思想和可縮式鋼架支護(hù)理論,提出鋼架節(jié)點(diǎn)采用鉸接,讓其有一定變形能力的可轉(zhuǎn)動(dòng)工字型型鋼鋼架。采用巖體力學(xué)模型,運(yùn)用FLAC 3D有限差分元軟件分析在Ⅳ級(jí)圍巖條件下超深埋隧道臺(tái)階法施工過(guò)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(tái)階水平位移的變化等。
1可縮式鋼架支護(hù)理論
軟巖大變形隧道具有隨著時(shí)間增長(zhǎng)圍巖變形不斷累積的特點(diǎn),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(guò)了鋼材的極限抗壓強(qiáng)度,鋼架會(huì)因強(qiáng)度不足發(fā)生破壞。根據(jù)文獻(xiàn)[18]的研究可知,傳統(tǒng)的鋼架支護(hù)和系統(tǒng)錨桿因不具備伸縮性和可動(dòng)性,導(dǎo)致儲(chǔ)存在圍巖內(nèi)部的能量無(wú)法釋放,較大的形變壓力往往會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。因此,對(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)。剛性拱架和可縮動(dòng)鋼架支護(hù)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(duì)鋼架受力是有利的。曲線①、曲線②與曲線③交點(diǎn)不同,意味著鋼架提供相同支護(hù)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(zhǎng)期穩(wěn)定。
可縮式鋼架的恒阻力可通過(guò)在鋼架接頭位置增設(shè)讓壓裝置和節(jié)點(diǎn)鉸接來(lái)實(shí)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(guò)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(dòng)條件滿足:
由上式可知,卡纜的預(yù)緊力N對(duì)鋼架的縮動(dòng)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(dòng)變形越小,讓壓效果不明顯;預(yù)緊力太小,鋼架變形大,達(dá)不到控制圍巖變形的效果。所以,在設(shè)計(jì)時(shí)要合理選取預(yù)緊力的大小。此外,支護(hù)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(shí)要同時(shí)滿足鋼架在水平和豎直方向的縮動(dòng)變形,提高整體適應(yīng)變形的能力。
本文采用的是通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接的鉸接結(jié)構(gòu)。
2數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)
以某單線鐵路隧道為對(duì)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(zhǎng)、寬、高3個(gè)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(tái)階法”開挖,上臺(tái)階高4.0 m,上臺(tái)階長(zhǎng)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(jì)算過(guò)程通過(guò)將鋼架連接處分別設(shè)置為剛接點(diǎn)和鉸接點(diǎn)來(lái)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(shí)體單元模擬,圍巖和噴混凝土采用摩爾-庫(kù)倫力學(xué)模型,錨桿采用Cable單元模擬,鋼拱架型號(hào)18號(hào)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(hù)材料的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2016)選取,具體如表1所示。
3計(jì)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(shí),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(tái)階拱腳水平位移107.20 mm,采用傳統(tǒng)栓接式鋼架上臺(tái)階拱腳水平位移81.97 mm,減小了23.54%;采用鉸接式鋼架下臺(tái)階拱腳水平位移58.22 mm,采用傳統(tǒng)栓接式鋼架下臺(tái)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(duì)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(tái)階拱腳水平位移67.77 mm,比鉸接式鋼架上臺(tái)階拱腳水平位移減小了15.66%;傳統(tǒng)栓接式鋼架下臺(tái)階拱腳水平位移13.92 mm,比鉸接式鋼架下臺(tái)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(wú)論是采用鉸接式鋼架還是傳統(tǒng)栓接式鋼架,對(duì)噴混凝土應(yīng)力基本沒(méi)有影響,初期支護(hù)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(hù);同時(shí)也適用于偏壓型隧道支護(hù)。
4結(jié)語(yǔ)
基于可塑式鋼架支護(hù)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(diǎn)采用鉸接可轉(zhuǎn)動(dòng)工字型型鋼鋼架,并采用數(shù)值方法研究了節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)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(diǎn)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(hù)。因其能對(duì)圍巖壓力的均勻調(diào)整,對(duì)存在偏壓的隧道也同樣適用。
【參考文獻(xiàn)】
[1]王福善.木寨嶺隧道極高地應(yīng)力軟巖大變形控制技術(shù)[J].隧道與地下工程災(zāi)害防治,2020,2(4):65-73.
[2]戴永浩,陳衛(wèi)忠,田洪銘,等.大梁隧道軟巖大變形及其支護(hù)方案研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,34(S2):4 149-4 156.
[3]孫鈞,潘曉明.隧道軟弱圍巖擠壓大變形非線性流變力學(xué)特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(10):1 957-1 968.
[4]沙鵬,伍法權(quán),李響,等.高地應(yīng)力條件下層狀地層隧道圍巖擠壓變形與支護(hù)受力特征[J].巖土力學(xué),2015,36(5):1 407-1 414.
[5]王水善.堡鎮(zhèn)隧道軟巖高地應(yīng)力地層大變形控制關(guān)鍵技術(shù)[J].隧道建設(shè),2009,29(2): 227-231.
[6]汪波,郭新新,何川,等.當(dāng)前我國(guó)高地應(yīng)力隧道支護(hù)技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)淺析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2018,55(5):1-10.
[7]王建宇,胡元芳,劉志強(qiáng).高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道擠壓型變形和可讓性支護(hù)原理[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2012,49(3):9-17.
[8]仇文革,王剛,龔倫,等.一種適應(yīng)隧道大變形的限阻耗能型支護(hù)結(jié)構(gòu)研發(fā)與應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2018,37(8):1 785-1 795.
[9]汪波,王杰,吳德興,等.讓壓支護(hù)體系在軟巖大變形公路隧道中的應(yīng)用研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016,13(10):1 985-1 993.
[10]王琦,李術(shù)才,王漢鵬,等.可縮式鋼管混凝土支架力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)效益[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011,41(5):103-107.
[11]何滿潮,王博,陶志剛,等.大變形隧道鋼拱架自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)軸壓性能研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2021,34(5):1-10.
[12]龐建勇.軟弱圍巖隧道新型半剛性網(wǎng)殼襯砌結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用[D].南京:東南大學(xué),2006.
[13]江系貴.柔性可縮性工字鋼支架在鐵路隧道軟弱膨脹圍巖段中的應(yīng)用[J].鐵道建筑,2005(5): 36-37.
[14]尤春安.U型鋼可縮性支架的穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002(11):1 672-1 675.
[15]尤春安.U型鋼可縮性支架的縮動(dòng)分析[J].煤炭學(xué)報(bào),1994(3):270-277.
[16]尤春安.U型鋼可縮性支架縮動(dòng)后的內(nèi)力計(jì)算[J].巖土工程學(xué)報(bào),2000(5):604-607.
[17]何亞男,賀永年.雙可縮聯(lián)合支護(hù)控制茂名軟巖動(dòng)壓巷道變形與防治底臌的研究[J].煤炭學(xué)報(bào),1992(4):16-24.
[18]孫鈞.地下工程設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐[M].上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,1996.