趙穎

(江西省奉新縣水利局，江西 奉新，330700)

0 引言

軟巖大變形隧洞有圍巖沉降變形大、完整性差及強(qiáng)度低等不利特點(diǎn)，這些特點(diǎn)嚴(yán)重影響隧洞施工、運(yùn)營(yíng)安全。而樹(shù)脂錨桿強(qiáng)度高、可切割、重量輕、柔性好，可以有效地提高軟巖大變形隧道的穩(wěn)定性。

樹(shù)脂錨桿在軟弱巖層中的應(yīng)用由來(lái)已久，陶永虎等[1]針對(duì)軟巖隧道大變形問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值模擬分析不同錨桿對(duì)圍巖最大位移(νmax)、最大應(yīng)力(σmax)的控制效果。李貴民等[2]對(duì)初支鋼架大變形問(wèn)題的系統(tǒng)錨桿效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力樹(shù)脂錨桿可有效提供抗拔力。張園園[3]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，樹(shù)脂錨桿抗拉拔強(qiáng)度為≥300MPa、預(yù)緊力矩≥200N·m時(shí)，方能符合巷道支護(hù)強(qiáng)度、投入使用。李敏等[4]對(duì)軟巖巖體變形特征展開(kāi)深入研究后，提出高強(qiáng)度樹(shù)脂錨桿＋噴射混凝土為主的支護(hù)新工藝，該方法能夠有效提高圍巖穩(wěn)定性。王伸等[5]采用ABAQUS對(duì)螺紋鋼錨桿受力進(jìn)行模擬分析，并與理論分析結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證。楊俊等[6]運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析了樹(shù)脂錨固劑錨固界面上剪應(yīng)力大小在不同性質(zhì)圍巖情況下的分布規(guī)律。王峰[7]為保證錨桿鋼筋使用性能的穩(wěn)定性，分析其加工失效的機(jī)理。筆者認(rèn)為，加工過(guò)程中錨桿鋼筋裂紋的出現(xiàn)主要是在縮頸時(shí)產(chǎn)生的。樹(shù)脂錨桿主要用于巖石巖土中的錨固作用，錢任等[8]利用FLAC－3D建立錨桿拉拔試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型能夠有效研究不同圍巖環(huán)境對(duì)錨桿錨固性能的影響。

然而，樹(shù)脂錨桿在軟弱大變形隧洞中的應(yīng)用研究較少。樹(shù)脂錨桿強(qiáng)度高、柔性好，能夠有效提高隧洞穩(wěn)定性、安全性。本文以螺紋鋼樹(shù)脂錨桿為研究對(duì)象，基于ABAQUS數(shù)值模擬軟件并且結(jié)合單元?jiǎng)h除算法、Mohr—Coulomb屈服準(zhǔn)則對(duì)螺紋鋼樹(shù)脂錨桿在隧洞中的應(yīng)用開(kāi)展研究分析，該研究成果對(duì)隧洞的圍巖支護(hù)作業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

某輸水(二期)工程隧洞1段主要由取水口、輸水隧洞、永久支洞等組成。輸水隧洞1段進(jìn)口底高程96.50m，出口底高程90.50m，長(zhǎng)5.23km。隧洞圍巖級(jí)別主要為V級(jí)，巖體易破碎，遇水易軟化崩解，圍巖穩(wěn)定性差、沉降變形大，施工困難大。為確保隧洞施工、運(yùn)營(yíng)的安全性、穩(wěn)定性，對(duì)隧洞開(kāi)展螺紋鋼樹(shù)脂錨桿支護(hù)研究具有重要意義。

2 模型建立

基于隧洞特殊的巖層性質(zhì)，采用錨桿和噴射混凝土作為主要支護(hù)手段以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)支護(hù)，早封閉”的效果。本文數(shù)值模擬過(guò)程分為三步:(1)建立隧洞所在巖體的自重應(yīng)力平衡分析步，以模擬巖體未被開(kāi)挖擾動(dòng)影響的應(yīng)力分布狀態(tài)；(2)利用ABAQUS軟件中單元?jiǎng)h除法，實(shí)現(xiàn)隧洞洞口的開(kāi)挖、襯砌及錨桿支護(hù)效果。其中，采用嵌入方式模擬錨桿與圍巖的接觸狀態(tài)；(3)進(jìn)行迭代計(jì)算，分析螺紋鋼樹(shù)脂錨桿對(duì)隧洞的支護(hù)效果[9－10]。

實(shí)際情況下，單元會(huì)因損傷斷裂而消失。為模擬這種情況，ABAQUS軟件平臺(tái)提供單元?jiǎng)h除功能。本文中利用到單元直接刪除技術(shù)以模擬隧洞洞口區(qū)域巖體的消失，通過(guò)?MODEL CHANGE，TYPE＝ELEMENT，REMOVE命令語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。

2.1 圍巖模型建立

基于ABAQUS軟件平臺(tái)利用平面應(yīng)力計(jì)算模式，建立隧洞二維計(jì)算模型(見(jiàn)圖1)。取圍巖的尺寸為600m×400m，圍巖的密度為2350kg/m3，彈性模量E＝0.9GPa，泊松比μ＝0.2，內(nèi)摩擦角φ＝36.5°，粘聚力C＝0.12MPa(見(jiàn)表1)。采用Structured網(wǎng)格劃分形式，共劃分3683個(gè)圍巖網(wǎng)格單元，網(wǎng)格類型為CPS4R。模型底部豎向約束，兩側(cè)水平約束。

圖1 隧洞計(jì)算模型

表1 圍巖力學(xué)性能

2.2 隧道錨噴支護(hù)模型建立

采用螺紋鋼樹(shù)脂錨桿，錨桿長(zhǎng)度為3.5m，屈服強(qiáng)度為400MPa，抗拉強(qiáng)度為570MPa。錨桿材料屬性設(shè)為Beam，網(wǎng)格類型為B21，共劃分900個(gè)網(wǎng)格單元(見(jiàn)表2)。

表2 錨桿力學(xué)性能

模型中，襯砌的厚度為0.25m，采用強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土，彈性模量為42GPa，泊松比為0.25(見(jiàn)圖2)。

圖2 隧洞錨噴支護(hù)模型

2.3 Mohr—Coulomb屈服準(zhǔn)則

圍巖采用塑性模型模擬，屈服準(zhǔn)則如下:

其中，σ1是單元第一主應(yīng)力；σ2是單元第二主應(yīng)力；σ3是單元第三主應(yīng)力；C是粘聚力；φ是內(nèi)摩擦角。

主應(yīng)力為公式(2)的解，其計(jì)算公式如下:

其中，I1表示應(yīng)力張量的第一不變量，I2表示應(yīng)力張量的第二不變量，I3表示應(yīng)力張量的第三不變量。

3 結(jié)果分析

3.1 隧洞位移分析

由圖3(a)可以看出，隧洞左右側(cè)壁水平位移最大，后期隧洞監(jiān)測(cè)重點(diǎn)應(yīng)位于左右側(cè)壁。左側(cè)水平位移最大值為8.56mm，右側(cè)水平位移最大值為8.58mm。建模過(guò)程中，隧洞為對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，所以隧洞中的水平位移也是對(duì)稱分布。從圖3(b)可以看出，隧洞豎向位移最大區(qū)域?yàn)楣绊敽凸暗撞课唬@兩處也是后期位移監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。拱底位移為18.04mm，拱頂位移為17.87mm。

圖3 隧洞開(kāi)挖后位移(單位:m)

結(jié)合上述結(jié)果，隧洞豎向位移大于水平位移，豎向位移最大值約是水平位移最大值的2.19倍，在施工過(guò)程中要注重隧洞豎向位移的控制，尤其是底部起鼓的控制。而且，V級(jí)圍巖環(huán)境下，隧洞豎向位移控制值為20mm。因此，從豎向位移角度分析，螺紋鋼樹(shù)脂錨桿支護(hù)方案滿足工程安全要求。

3.2 隧洞圍巖受力分析

從圖4(a)可以看出，隧洞水平應(yīng)力主要集中在隧道圍巖的頂部和底部。隧洞圍巖底部的應(yīng)力值最大，達(dá)到5.38×106Pa。隧洞左右側(cè)壁圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值為1.18×106Pa。而拱腳處的應(yīng)力最大，為2.09×107Pa。從圖4(b)可以看出，隧洞豎向應(yīng)力主要集中在拱底、拱頂部位，拱底應(yīng)力最大，為1.66×107Pa。拱腳處的豎向應(yīng)力最大，達(dá)到4.40×107Pa。

圖4 隧洞圍巖應(yīng)力分布(單位:Pa)

可見(jiàn)，隧洞圍巖應(yīng)力中，拱腳、拱底的應(yīng)力較大，這是由于隧洞拱頂區(qū)域施加螺紋鋼樹(shù)脂錨桿降低圍巖壓力導(dǎo)致的。拱底、拱腳的應(yīng)力值均小于材料強(qiáng)度，不會(huì)對(duì)工程造成安全威脅。

3.3 隧洞拱頂位移分析

隧洞處于V級(jí)圍巖，巖層遇水易軟化崩解，圍巖穩(wěn)定性差，沉降量大。同時(shí)，拱頂常出現(xiàn)脫空、掉塊等病害，這對(duì)隧洞穩(wěn)定性帶來(lái)重要隱患，可見(jiàn)對(duì)軟巖大變形拱頂開(kāi)展位移分析具有代表性。本節(jié)以初期支護(hù)錨桿為對(duì)照組，分析螺紋鋼樹(shù)脂錨桿的支護(hù)效果，選取拱頂節(jié)點(diǎn)A作為研究對(duì)象(見(jiàn)圖1)。

如圖5所示，x軸為數(shù)值模擬過(guò)程中的分析步，y軸為拱頂節(jié)點(diǎn)A的豎向位移。數(shù)值模擬分析步中，0－2step為地應(yīng)力平衡階段；2－4step為硐室?guī)r體強(qiáng)度折減階段；4－6step為錨桿施加階段；6－7step為隧洞硐室?guī)r體挖除階段。

圖5 拱頂豎直位移

整個(gè)數(shù)值模擬過(guò)程中，拱頂豎向位移在前期(0－6step)較小，位移變化率趨于0，在后期(6－7step)拱頂豎向位移增大，最后趨于穩(wěn)定。采用螺紋鋼樹(shù)脂錨桿支護(hù)方案的拱頂豎直位移為13.28mm，采用初期錨桿支護(hù)方案的拱頂豎直位移為17.35mm。

4 結(jié)論

為有效提高隧洞圍巖穩(wěn)定性，本文基于ABAQUS數(shù)值模擬軟件，利用單元?jiǎng)h除算法、Mohr—Coulomb屈服準(zhǔn)則建立隧洞數(shù)值模型，研究結(jié)果如下:

(1)相比于水平方向，隧洞豎向應(yīng)力、位移較大，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)豎向的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)工作。隧洞拱底位移達(dá)到18.79mm，建議采用加筋的方式防止拱底起鼓。

(2)采用螺紋鋼樹(shù)脂錨桿支護(hù)方案的拱頂豎直位移比初期錨桿支護(hù)方案的拱頂豎直位移小，為13.28mm?？梢?jiàn)，螺紋鋼樹(shù)脂錨桿對(duì)謝家坡隧洞的具有良好的支護(hù)效果，滿足工程安全性要求。

(3)本文建立的是二維平面應(yīng)力數(shù)值模型，沒(méi)有建立三維應(yīng)力數(shù)值模型，對(duì)于隧洞深度方向的應(yīng)力變化有待進(jìn)一步研究。