魯云芳，張嘉樂

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

1 概述

近年來，我國對(duì)于隧道的需求量不斷增大，隧道建設(shè)成為基礎(chǔ)建設(shè)中不可缺少的一部分。隧道工程的建設(shè)不僅能夠緩解城市交通的壓力[1]，同時(shí)還能夠改善邊遠(yuǎn)地區(qū)交通狀況，從而改善偏遠(yuǎn)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)狀況，帶動(dòng)偏遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。隧道工程大部分修建在城市地下區(qū)域或者山區(qū)，因此隧道周邊巖土體情況一般比較復(fù)雜，施工和支護(hù)時(shí)候，遇到的不確定因素較多，施工可能遇到的困難和需要考慮、解決的問題較多，如何在一些復(fù)雜的地質(zhì)條件下保證隧道的安全性和穩(wěn)定性是一個(gè)重要的研究方向。

如何保證隧道工程的開挖穩(wěn)定性以及保證隧道在使用過程中的安全性，主要取決于隧道采用的支護(hù)方式。目前我國隧道的支護(hù)方式主要有噴射混凝土支護(hù)、錨桿支護(hù)、超前管棚支護(hù)、鋼拱架支護(hù)和多種支護(hù)方式聯(lián)合支護(hù)等[2]。錨桿支護(hù)[3-4]作為主要的地下工程支護(hù)手段，被大規(guī)模應(yīng)用于地下工程建設(shè)過程中。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)錨桿的材質(zhì)、長(zhǎng)度、間排距、錨固長(zhǎng)度和預(yù)應(yīng)力等因素決定了錨桿的支護(hù)效果，眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了很多研究，得到了較為完備的錨桿支護(hù)技術(shù)，解決了眾多地下工程的支護(hù)難題[5]。但是隨著隧道建設(shè)的逐漸復(fù)雜，傳統(tǒng)的支護(hù)方式已經(jīng)不能達(dá)到隧道施工和使用要求，引入新的支護(hù)成為必然。

鋼管混凝土最初主要用于橋梁和高層建筑物，而高延法[6]團(tuán)隊(duì)成功把鋼管混凝土支架應(yīng)用到了地下工程的建設(shè)當(dāng)中，并且取得了較好的效果，同時(shí)他們還對(duì)鋼管混凝土支架的力學(xué)性能和支護(hù)效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析[7-8]，得出鋼管混凝土支架是一種承載力較高，支護(hù)效果好的支護(hù)材料，并且很好地應(yīng)用到了隧道建設(shè)當(dāng)中。

2 工程概況及數(shù)值模型建立

白家梁隧道位于燕山地區(qū)，根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪及鉆探揭露，隧道區(qū)域地層為安山巖、凝灰質(zhì)礫巖，總體地形起伏較大，但是未見滑坡等跡象，隧道區(qū)多以凝灰質(zhì)礫巖為主，該巖體遇水易軟化，整體性相對(duì)較差。隧道選址區(qū)域整體穩(wěn)定性較好，隧道右幅長(zhǎng)911 m，左幅長(zhǎng)836 m。其中S-1標(biāo)段隧道右幅長(zhǎng)456 m，左幅長(zhǎng)418 m。本隧道最大埋深68.1 m，屬于淺埋隧道，隧道斷面見圖1，在開挖施工過程中產(chǎn)生巖爆的可能性極小。隧道通過段土體為凝灰質(zhì)礫巖巖體，不含有害氣體的礦產(chǎn)，施工過程中不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體和瓦斯逸出或爆炸。

數(shù)值模型尺寸為X=65 m，Y=10 m，Z=65 m，隧道位于模型正中央，其半徑為5.88 m，仰拱半徑為15.26 m，周圍有厚度為0.45 m的噴射混凝土，如圖2所示。根據(jù)白家梁隧道的實(shí)際情況(見圖3)，數(shù)值模擬共涉及兩個(gè)地層，數(shù)值模型上下兩側(cè)為安山巖，中間為凝灰質(zhì)礫巖，隧道全部位于凝灰質(zhì)礫巖巖層中。數(shù)值模擬的本構(gòu)模型選定為Mohr-Coulomb模型，邊界條件設(shè)定為平面應(yīng)變，模型的前后左右采用水平約束，底部固定，頂部為自由邊界。初始應(yīng)力場(chǎng)為重力場(chǎng)，模型在重力的作用下開始沉降，并作用于隧道支護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)不平衡力比達(dá)到10-5時(shí)計(jì)算收斂。

3 支護(hù)方案

針對(duì)白家梁隧道的實(shí)際情況，主要設(shè)計(jì)兩種支護(hù)方案(見圖4)。利用前述所建立數(shù)值模型，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的支護(hù)方案效果，并進(jìn)行對(duì)比：

方案一:注漿錨桿和工字鋼鋼架聯(lián)合支護(hù)，采用RD25N型普通中空注漿錨桿，長(zhǎng)3.5 m，縱向間距750 mm，環(huán)向間距1 000 mm；Ⅰ18工字鋼鋼架，縱向間距750 mm；襯砌為450 mm的噴射混凝土。

方案二:注漿錨桿和鋼管混凝土支架聯(lián)合支護(hù)，用鋼管混凝土支架替換工字鋼鋼架。選取鋼管尺寸為φ168×3 mm鋼管混凝土代替原方案的工字鋼。具體支護(hù)參數(shù)見表1。

通過FLAC3D軟件，模擬隧道在工字鋼和鋼管混凝土兩種不同支護(hù)材料支護(hù)條件下，隧道的支護(hù)效果，通過對(duì)隧道變形、圍巖應(yīng)力以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形進(jìn)行分析，從而得出結(jié)論。

表1 支護(hù)參數(shù)

4 數(shù)值模擬分析

4.1 隧道圍巖位移對(duì)比分析

圍巖豎向位移變化特征見圖5。根據(jù)圖5可知，隧道開挖后，圍巖原有應(yīng)力狀態(tài)被打破，圍巖產(chǎn)生變形。由圖5(a)得出，無支護(hù)開挖，隧道頂板下沉量為13.24 mm，底板隆起量為12.16 mm，頂?shù)装褰咏抗?5.4 mm；左右?guī)拓Q向位移遠(yuǎn)小于頂板位移。如圖5(b)所示，支護(hù)后隧道頂板最大位移為9.66 mm，底板隆起量約為9.29 mm，接近量為18.95 mm。使用工字鋼支護(hù)時(shí)，隧道豎向位移主要集中在隧道頂、底板處，隧道左右?guī)突静淮嬖谪Q向位移。鋼管混凝土支架支護(hù)下，隧道圍巖豎向位移云圖如圖5(c)所示，使用鋼管混凝土支架支護(hù)后，隧道圍巖位移得到了較好的改善，隧道頂板最大位移減少為9.58 mm，底板隆起量約為9.16 mm，頂?shù)装褰咏繛?8.74 mm。

采用工字鋼或鋼管混凝土支架支護(hù)，圍巖支護(hù)效果較為明顯，尤其是底部隆起現(xiàn)象得到了明顯改善。采用工字鋼支護(hù)，隧道頂板變形量?jī)?yōu)化了27.04%，底板隆起量減小了23.6%；鋼管混凝土支架支護(hù)使得隧道頂板最大位移減少了27.64%，底板隆起量約改善了24.67%，整體上看，鋼管混凝土支架支護(hù)對(duì)改善隧道豎向位移的效果較好。

圍巖水平位移云圖如圖6所示。從圖6(a)可以發(fā)現(xiàn)，開挖后，隧道左右?guī)蛧鷰r受水平位移影響的區(qū)域范圍較大，兩幫處水平位移對(duì)稱分布，位移量大致相等，約為5.4 mm～5.5 mm，隧道頂板和底板中部基本不存在水平位移；隧道拱肩處的水平位移影響范圍和數(shù)值比下部分區(qū)域大；離隧道開挖面越近，圍巖位移越大。工字鋼支護(hù)隧道左右?guī)褪諗苛考s為8.95 mm，隧道水平位移主要集中在隧道拱肩區(qū)域，整體位移水平較低。鋼管混凝土支架支護(hù)隧道，左右?guī)退轿灰萍s為4.35 mm，減小程度不明顯。支護(hù)后隧道的水平位移較大區(qū)域主要集中在隧道拱肩位置，支護(hù)后隧道水平位移影響區(qū)域和水平大范圍減少。

隧道開挖產(chǎn)生的水平位移整體較豎向位移要小得多，支護(hù)后水平位移變化不太明顯。但從整體來看，鋼管混凝土支架的支護(hù)效果比工字鋼的支護(hù)效果要更有效一些。

4.2 隧道圍巖應(yīng)力分析

圖7為圍巖豎向應(yīng)力云圖。由圖7(a)可知，隧道開挖后圍巖豎向應(yīng)力呈左右對(duì)稱分布，應(yīng)力水平較低，影響范圍大，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。豎向應(yīng)力對(duì)兩幫的作用大于頂、底板處，使得兩幫處豎向應(yīng)力最大；根據(jù)圖7(b)和圖7(c)可知，工字鋼支護(hù)和鋼管混凝土支架支護(hù)都能夠改善隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖應(yīng)力水平，減少應(yīng)力影響區(qū)域，使隧道周邊圍巖的受力更均勻。

隧道圍巖的水平應(yīng)力云圖見圖8。由圖8(a)可得，無支護(hù)隧道整體應(yīng)力水平較低，應(yīng)力集中區(qū)域較小，圍巖整體應(yīng)力水平較豎向應(yīng)力來說更為均勻。無支護(hù)隧道在水平應(yīng)力作用下，在頂部、左右?guī)秃退淼赖捉菂^(qū)域內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂板和底角區(qū)域的水平應(yīng)力明顯比幫部區(qū)域水平應(yīng)力大；且隧道底板處的水平應(yīng)力集中區(qū)域遠(yuǎn)比頂板區(qū)域小。支護(hù)后，隧道圍巖水平應(yīng)力狀態(tài)得到改善，圍巖應(yīng)力水平提高，支護(hù)后應(yīng)力值較大的位置多出現(xiàn)在隧道內(nèi)部襯砌區(qū)域，圍巖區(qū)域應(yīng)力分布均勻。

隧道圍巖剪切應(yīng)力的分布狀態(tài)不能通過豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力的分布特征來體現(xiàn)，故對(duì)圍巖的剪切應(yīng)力也進(jìn)行了分析。圖9為圍巖的剪切應(yīng)力云圖。無支護(hù)條件下，隧道圍巖的剪切應(yīng)力形成應(yīng)力等值圈，兩幫處剪切應(yīng)力數(shù)值最大，底板處剪切應(yīng)力值與幫部和頂板處相比數(shù)值較小。模型的剪切應(yīng)力分布范圍較廣，且分布不均勻；使用工字鋼和鋼管混凝土支架支護(hù)后，隧道圍巖剪切應(yīng)力集中范圍比無支護(hù)時(shí)候減小很多，除去隧道內(nèi)部襯砌處的剪切應(yīng)力值較大外，隧道周邊圍巖剪切應(yīng)力值顯著減小，且整體剪切應(yīng)力水平較低，分布更均勻。這兩種支護(hù)方式既能夠降低隧道圍巖的剪切應(yīng)力集中程度，又能夠在很大程度上改善圍巖的受力狀態(tài)。

圖10為最大主應(yīng)力云圖。如圖10(a)為無支護(hù)最大主應(yīng)力云圖，隧道開挖工作面處于主應(yīng)力降低區(qū)域，應(yīng)力值基本一致。隧道底角處最大主應(yīng)力值與隧道內(nèi)表面相比應(yīng)力值較大；模型整體應(yīng)力對(duì)稱分布，深部圍巖應(yīng)力值比隧道周邊圍巖應(yīng)力值大，并且在距離隧道底板處約10 m的位置出現(xiàn)應(yīng)力集中。根據(jù)圖10(b)和圖10(c)來看，工字鋼和鋼管混凝土支架支護(hù)能夠很好地減少主應(yīng)力影響區(qū)，使得隧道周邊圍巖整體區(qū)域的最大主應(yīng)力分布均勻，不出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4.3 支護(hù)構(gòu)件受力分析

數(shù)值模擬計(jì)算過程中，工字鋼和鋼管混凝土支架使用Beam單元模擬，其軸力圖如圖11所示。如圖11(a)所示，工字鋼軸力整體水平較高，支護(hù)時(shí)兩幫處支架軸力較大，支架頂、底部位的軸力較幫部小很多，底板處支架軸力最小。支架右?guī)徒咏捉俏恢锰幊霈F(xiàn)軸力集中現(xiàn)象，該處軸力值最大；使用鋼管混凝土支架支護(hù)時(shí)，支架軸力水平整體較工字鋼支架軸力水平低，分布狀態(tài)與工字鋼相似。鋼管混凝土支架軸力最大值集中在幫部圓弧段內(nèi)，底板處軸力最小，但是鋼管混凝土支架整體受力較工字鋼來看更加均勻。

工字鋼支護(hù)時(shí)，錨桿的軸向應(yīng)力分布如圖12(a)所示。錨桿軸力最大值為2 119.1 kN，受力較大的錨桿主要集中在隧道頂部圍巖區(qū)域內(nèi)，深部圍巖區(qū)域內(nèi)的錨桿所受軸力與之相比較少。鋼管混凝土支架支護(hù)時(shí)，錨桿的軸向應(yīng)力分布如圖12(b)所示。錨桿軸力最大數(shù)值為2 084.7 kN，主要集中在隧道頂部和部分幫部周邊圍巖區(qū)域。對(duì)于分布相對(duì)較深的圍巖，錨桿所受軸力較小。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，無支護(hù)開挖時(shí)，隧道周邊圍巖受應(yīng)力影響區(qū)域大，圍巖變形明顯，頂板下沉量和底板隆起量較大，但是由于巖土體性質(zhì)較為穩(wěn)定，開挖后塑性區(qū)分布范圍較小。

采用工字鋼進(jìn)行支護(hù)時(shí)，模擬得到的隧道頂?shù)装褰咏考s為18.95 mm，較無支護(hù)來說減小了約25.39%；采用鋼管混凝土支架支護(hù)時(shí)，隧道頂?shù)装褰咏繌臒o支護(hù)時(shí)的25.4 mm減小到18.74 mm，改善約26.22%，鋼管混凝土支架對(duì)豎向位移的改善作用較好一些。隧道開挖產(chǎn)生的水平位移整體較豎向位移要小得多，支護(hù)后水平位移變化不太明顯，但大致呈減小的趨勢(shì)。從整體來看，對(duì)于改善圍巖變形鋼管混凝土支架支護(hù)比工字鋼支護(hù)的結(jié)果要更有效。

工字鋼支護(hù)和鋼管混凝土支架支護(hù)后隧道圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，這兩種不同的支護(hù)方式都能夠較好的改善隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖應(yīng)力水平，減少應(yīng)力集中，使圍巖應(yīng)力分布均勻。

工字鋼和鋼管混凝土支架的支架軸力都集中在支架幫部圓弧段內(nèi)，頂部支架和底部支架處的軸力相對(duì)幫部軸力較小。鋼管混凝土支架支護(hù)時(shí)，支架軸力比工字鋼支護(hù)時(shí)候小，但是鋼管混凝土支架的支架軸力分布范圍比工字鋼支護(hù)更均勻，表明了鋼管混凝土支架支護(hù)時(shí)支架受力比工字鋼支架更均勻。對(duì)于錨桿軸向拉應(yīng)力，使用鋼管混凝土支架支護(hù)時(shí)比使用工字鋼支護(hù)時(shí)小，頂部錨桿比幫部錨桿所受拉應(yīng)力大。

5 結(jié)語

論文以白家梁隧道為工程背景，建立了三維數(shù)值模型，分析了工字鋼支護(hù)及鋼管混凝土支架支護(hù)作用下隧道圍巖的變形特征，得出以下結(jié)論：

1)不同支護(hù)方式下，鋼管混凝土支架對(duì)隧道圍巖變形的控制作用明顯較好；尤其是對(duì)隧道豎向位移變形，鋼管混凝土的控制效果作用明顯。

2)不同支護(hù)方式下，采用鋼管混凝土支架支護(hù)時(shí)，隧道圍巖所受到的支護(hù)力更加均勻，因此支護(hù)效果相對(duì)較好；同時(shí)鋼管混凝土支護(hù)時(shí)，錨桿所受到的作用力相對(duì)較小，整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)所受力更為均勻。

3)結(jié)合施工工藝、施工成本等多個(gè)方面來看，鋼管混凝土支架所用材料成本較低，性價(jià)比更高，工藝流程更為簡(jiǎn)單，因此在實(shí)際施工過程中，應(yīng)盡可能地選取低成本、高性價(jià)比、支護(hù)效果最優(yōu)的鋼管混凝土支架對(duì)隧道進(jìn)行支護(hù)。