徐余清

（修水縣交通運輸局，江西 修水 332400）

0 引言

對于隧道工程的長期探索研究過程中，發(fā)現對隧道工程的施工方法大致包括明挖法、盾構法及礦山法等，在20世紀50年代新奧法[1]的開挖隧道技術被提出，此方法是借鑒大量的工程經驗，結合可靠的隧道設計理念，在施工監(jiān)測的基礎上，根據需求改善支護結構的參數及二次襯砌等支護措施，此外國內外學者對隧道的支護阻力、圍巖變形與支護阻力及圍巖與隧道支護結構之間的關系進行大量研究。本文通過分析襯砌支護結構，鋼架支護結構和錨桿支護結構的特點，結合有限元軟件對隧道支護結構技術進行研究。

1 隧道的支護結構

1.1 襯砌的支護結構

襯砌支護結構是一種在隧道壁上密貼的支護結構形式，當襯砌與圍巖接觸發(fā)生作用時，通過與松動去巖體的變形來協調，近似地可以將襯砌支護結構看作是一種拱形或者閉合環(huán)形的結構形式，該結構因為自身所具有的柔韌性及整體性，可以很好地改善圍巖的應力狀態(tài)[2]，將局部集中的應力釋放出來，限制圍巖的變形。

對于襯砌支護而言，它的主要作用是一種對閉合式整體起支承作用。待支護結構施工完成之后，襯砌將會對卸載后圍巖的受力重新分配，改變其應力狀態(tài)，類似一個帶有剛度的膜，這個膜與隧道壁上的圍巖來共同協調變形。對于襯砌所約束的巖體，其變形量的大小主要取決于隧道壁巖層和襯砌之間的相互作用力。對巖體來說，襯砌的支護可以阻止其發(fā)生位移。

1.2 鋼架的支護結構

對于鋼架支護結構而言，它的力學模型通常為拱形，因此在采用鋼架作為支護結構時，應對巖體進行應力狀態(tài)的分析、并對鋼架的模型進行確定。合理地處理鋼架與隧道壁的接頭以及應將鋼架支護結構與隧道壁巖體有接觸的部位設置為剛性連接，因為這樣有利于鋼架支護整個結構的受力。但是在實際的工程中，通常這種完全的剛性比較難以實現，因此就會產生縫隙，現今對于這類縫隙通常采用木楔來進行填塞，對于鋼架支護結構所能提供的最大支護阻力可通過下列式子計算。

式（1）中：Ast：表示鋼架型鋼的截面面積，Ist：表示鋼架型鋼斷面的慣性矩，σst：表示鋼架型鋼的抗壓強度，s：表示隧道縱向方向型鋼的布置間距，h：表示鋼架型鋼的截面高度，ro：表示隧道的半徑，tB：表示墊塊的厚度，θ：表示兩楔塊之間的夾角。

對鋼架支護結構而言，在支護的前期具有較高的強度及剛度，能夠有效地控制圍巖的縱向沉降，并且它可以與襯砌配合起來共同作用，可以有效地擴寬支護體系整體的承載范圍；同時還可以配合隧道的斷面進行靈活的布置，使施工安全有所保障。

1.3 錨桿的支護結構

圖1為錨桿支護結構[3-5]的示意圖。

圖1 錨桿的支護結構示意圖

從上圖中可以發(fā)現，對錨桿支護而言，錨桿支護結構主要包括三部分，錨桿、錨固體及墊板。其中錨桿是支護結構的主體部分，它將承受由墊板所傳的應力，同時還需要承擔一部分荷載，對于錨桿支護結構來說，錨桿是把穩(wěn)定巖體與不穩(wěn)定巖體連接起來，因此錨桿起著至關重要的作用；而墊板的話主要是起到連接的作用，它主要承受隧道壁上圍巖壓力并將力轉給錨桿桿體；而錨固體的話一般是設置在末端，通過注漿的方法將漿液注入圍巖，起到密實圍巖的作用，主要承擔錨桿桿體傳來的作用力。

2 FLAC3D有限元軟件分析

因為計算機的發(fā)展及有限元軟件的成熟，大多工程都結合有限元軟件對隧道工程進行研究，其中FLAC3D軟件是一款大型的有限元分析軟件，在隧道工程中的研究越來越重要，本文主要通過FLAC3D建立三維隧道模型[6]，并模擬整體模型的開挖及支護的過程。

2.1 有限元模型的建立

本文以高55m×長65m×寬80m作為山體的模型，而隧道以高5.5m×寬15m為模型進行模擬。本次模擬所采用的支護結構形式為錨噴支護，及在錨桿的基礎上再在隧道壁上噴射混凝土的支護結構，模型中混凝土采用殼單元進行模擬，錨桿采用Cable單元進行模擬。因此本次模擬所需設置的主要參數見表1所示。

表1 模型參數表

2.2 模擬結果分析

此次模擬主要是通過對比分析模擬為主，主要是對比分析隧道在無支護情況下的應力場及采用錨噴支護形式下的應力場，對模型中的應力結果做表格進行對比，結果如表2所示。

表2 應力結果對表

通過表2可以發(fā)現在隧道的頂板和底板處出現最小應力值，其中在頂板處的應力值約為0.6MPa，底板處的應力值約為0.8MPa，之所以出現在頂板及底板處，主要是由于拉應力的存在，使得隧道頂板處的圍巖處于不良的工作環(huán)境，此處的巖體在受拉而發(fā)生破壞之后，隧道的表面出現大量的應力集中，進而導致巖體破碎失去承載能力，分析發(fā)現在隧道的墻角處將出現應力最大，其值大約為21MPa，在此應力下圍巖別壓碎。采用錨桿支護之后，其最小應力與最大應力的應力值均明顯減小，其最大主應力值大約為15MPa，最小的應力值約為0.3MPa，并且整體的應力分布較為均勻，并且在底板的板腳處壓應力集中現象將會消失。因此通過對比分析可知，對于隧道在頂部拉應力集中及底部壓應力集中的部位應進行加強做支護。

3 結語

本文基于國內外的研究成果，通過分析襯砌支護結構，鋼架支護結構和錨桿支護結構的特點，結合FLAC3D有限元軟件對隧道支護結構技術進行研究，通過研究發(fā)現對于隧道有做支護與沒有做支護的情況下，其應力差比較大，因此對于隧道工程應在隧道頂部拉應力集中及底部壓應力集中的部位應進行加強做支護。本文僅對錨噴的支護結構形式進行模擬，對于其他的支護形式未進行詳細研究，對隧道工程的支護形式還有待進一步進行研究。