隧道洞口超前錨桿預(yù)支護(hù)三維有限元模擬分析

張建國，溫淑蓮

(山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250357)

隧道洞口超前錨桿預(yù)支護(hù)三維有限元模擬分析

張建國，溫淑蓮

(山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250357)

為保證施工安全，對復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道洞口段的圍巖進(jìn)行預(yù)支護(hù)。采用超前錨桿預(yù)支護(hù)措施，并進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬分析。計(jì)算結(jié)果表明，隧道拱頂位移<50 mm，邊墻位移<45 mm，初期支護(hù)的最終安全系數(shù)約為5.0，因此用超前錨桿預(yù)支護(hù)可以保證隧道洞口段支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。同時(shí)，超前錨桿的最大軸力略>13 kN，并呈階梯形分布，最大軸力位于錨桿的中間，并向兩端逐漸減小，且拱頂位置的錨桿軸力較兩邊大。

隧道洞口段；超前錨桿；預(yù)支護(hù)；有限元數(shù)值模擬；復(fù)雜地質(zhì)條件

隧道施工中，尤其在洞口段，如果圍巖不能自穩(wěn)，施工將不能進(jìn)行。因此，控制圍巖的穩(wěn)定性是隧道開挖技術(shù)中的重要問題[1-2]。目前常用的方法是預(yù)支護(hù)工法，包括小管棚、大管棚、注漿及超前錨桿等方法[3-6]。本文著重研究超前錨桿預(yù)支護(hù)在某單線鐵路隧道洞口段施工中的作用。

1 有限元模型及計(jì)算參數(shù)

為能準(zhǔn)確反映超前錨桿在隧道洞口段施工中的作用，特采用有限差分程序FLAC3D 2.0建立三維數(shù)值模型，并采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算[7-8]。

由于隧道開挖的影響范圍為3～5倍的洞口直徑[9-10]，故模型范圍確定如下：上部取至地表，并假設(shè)地表面具有25°的傾角，左右從邊墻向外各取25 m，下部取至仰拱以下20 m，隧道縱向長度取為30 m。模型前后左右均有垂直其面的水平約束，下部有垂直約束，地表為自由邊界面。計(jì)算中采用8節(jié)點(diǎn)6面體實(shí)體單元模擬圍巖、初期支護(hù)及超前錨桿[11]。隧道采用臺階法施工，上下臺階的掌子面距離為6.4 m，每次開挖循環(huán)進(jìn)尺為1.6 m。計(jì)算過程中圍巖與支護(hù)材料的力學(xué)參數(shù)如表1所示[12-15]。在隧道洞口段，由于沿隧道軸線方向埋深逐漸增加，三維計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)較多，為了能較真實(shí)的反映超前錨桿預(yù)支護(hù)在隧道施工過程中的作用，本文取距洞口8 m處的斷面作為研究斷面進(jìn)行分析。

表1 圍巖與支護(hù)材料的力學(xué)參數(shù)

圖1 控制點(diǎn)布置圖

2 初期支護(hù)內(nèi)力及安全系數(shù)

對隧道斷面取5個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行分析，控制點(diǎn)位置如圖1所示。

軸力、彎矩及安全系數(shù)隨掌子面推進(jìn)的變化規(guī)律分別見圖2～4。由圖2～ 4可知，拱頂軸力隨施工進(jìn)程呈上升趨勢，上臺階開挖到研究斷面時(shí)，對拱部軸力影響很大，從-46.36 kN變化到-233.93 kN，增大了4倍多，當(dāng)上臺階繼續(xù)開挖至距研究斷面9.8 m，軸力增長較快，每循環(huán)進(jìn)尺增加40～50 kN，到下臺階施工完畢后，拱部軸力達(dá)到-487.62 kN，在以后的施工中，軸力基本上沒有較大的變化，一直在-500 kN上下波動(dòng)；邊墻軸力總體呈上升趨勢，上臺階通過研究斷面時(shí)，邊墻軸力增加幅度較小，為-17.26 kN變化到-36.7 kN，但下臺階通過研究斷面時(shí)，邊墻軸力增加較大，為-39.56 kN變化到-108.35 kN，這說明邊墻軸力主要是由下臺階開挖引起的；墻腳軸力在通過下臺階后一直持續(xù)增加，直到下臺階掌子面距研究斷面11.2 m(即2倍洞徑)左右為止。

圖2 初期支護(hù)控制點(diǎn)軸力隨掌子面推進(jìn)的變化規(guī)律

圖3 初期支護(hù)控制點(diǎn)彎矩隨掌子面推進(jìn)的變化規(guī)律

圖4 初期支護(hù)控制點(diǎn)安全系數(shù)隨掌子面推進(jìn)的變化規(guī)律

隨著下臺階拱部開挖，彎矩減小，當(dāng)下臺階開挖到距研究斷面1.6 m以后，拱部彎矩又開始增加，這種增加一直維持到下臺階距研究斷面11.2 m(即2倍洞徑)左右為止；邊墻彎矩總體上呈上升趨勢，但變化幅度比較??；墻腳彎矩的變化規(guī)律與拱頂處相似。

拱部安全系數(shù)在通過上臺階后急劇下降，這種下降趨勢一直持續(xù)到下臺階掌子面距研究斷面3.2 m左右為止。在以后的施工中，安全系數(shù)變化較小，一直維持在5.2左右；邊墻安全系數(shù)變化與拱部安全系數(shù)具有相同的變化規(guī)律，但下降趨勢更陡，不過最終維持在5.3左右；墻腳安全系數(shù)隨下臺階開挖有下降趨勢，但幅度較小，最終在9.0以上。根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]，可以判定初期支護(hù)能夠保證施工安全。

3 洞周位移

取拱頂、邊墻、仰拱共4個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行分析，控制點(diǎn)布置如圖5所示?？刂泣c(diǎn)位移隨掌子面推進(jìn)的變化規(guī)律見圖6。

圖5 周邊位移控制點(diǎn)布置

圖6 控制點(diǎn)位移隨掌子面推進(jìn)的變化規(guī)律

由圖6可知，拱頂位移隨掌子面推進(jìn)呈上升趨勢，在上臺階掌子面距離研究斷面-6.4 m時(shí)，拱頂發(fā)生位移，為4 mm，當(dāng)上臺階掌子面到達(dá)研究斷面時(shí)，位移為16 mm，約占總位移的40%。在下臺階未開挖之前，拱頂位移變化較小，一旦研究斷面下臺階開挖后，拱頂位移增長較快，平均每循環(huán)進(jìn)尺位移增幅為1～3 mm，影響距離大約2倍洞徑。二次襯砌施工后，拱頂位移基本保持穩(wěn)定，最終總位移約為42 mm；邊墻的變形規(guī)律與拱頂相似，基本成線性增加，最終為43 mm；仰拱位移在下臺階掌子面距離研究斷面12.8 m時(shí)完成收斂，最大為20 mm。

表2 各階段位移 mm

各階段位移情況見表2。

由表2可見，拱頂?shù)那捌诤屯ㄟ^上下臺階時(shí)，位移增長較快，而邊墻在通過上臺階和下臺階時(shí)，位移增長較快。

圖7 超前錨桿布置圖

4 超前錨桿內(nèi)力

超前錨桿布置如圖7所示。

超前錨桿隨著隧道掌子面的不斷推進(jìn)，內(nèi)力也不斷發(fā)生變化。為了更好地分析超前錨桿的受力性能，選取距離洞口斷面8 m處的一排環(huán)向超前錨桿進(jìn)行研究。分別選取掌子面推進(jìn)距離為11.2/4.8，22.4/16，/28 m時(shí)對超前錨桿的內(nèi)力進(jìn)行分析。各工況下超前錨桿的軸力如圖8所示，并將相關(guān)數(shù)據(jù)列于表3中。

由圖8和表3可以看出：單根超前錨桿所受的軸力呈階梯形分布，最大軸力位于錨桿中間位置，并向兩端逐漸減小；超前錨桿的軸力分布隨掌子面推進(jìn)而變化，這種變化趨勢是先增大，后減??；超前錨桿的軸力沿環(huán)向的變化規(guī)律是：拱頂最大，逐漸向兩腰減小。

圖8 各工況下超前錨桿軸力圖

表3各工況下超前錨桿軸力

第7步超前錨桿編號12345678最大軸力/kN1．974．157．7810．7010．717．784．121．97第14步超前錨桿編號12345678最大軸力/kN5．568．5711．4813．2313．2111．488．545．58第21步超前錨桿編號12345678最大軸力/kN4．087．9610．8812．4412．4110．907．993．97

5 結(jié)論

1)采用超前錨桿對復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道洞口段進(jìn)行加固，可以保證隧道洞口段支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，主要表現(xiàn)為：① 隧道初期支護(hù)的最終安全系數(shù)約為5.0，可以判定初期支護(hù)在施工期間是安全的。② 隧道拱頂與邊墻的位移分別在50，45 mm以內(nèi)，仰拱位移約為20 mm，滿足規(guī)范要求。

2)超前錨桿所受的軸力呈階梯形分布，最大軸力位于錨桿的中間，并向兩端逐漸減小。超前錨桿位于拱頂位置時(shí)，軸力較兩邊大，而且離隧道中心線越遠(yuǎn)，超前錨桿軸力越小。

3)超前錨桿早期和晚期軸力較小，中期軸力較大。超前錨桿承受拉力，最大軸力略高于13 kN。

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Three-DimensionalFiniteSimulationAnalysisofForepolingBoltPre-SupportingatTunnelEntrance

ZHANGJian-guo，WENShu-lian

(SchoolofTransportationandCivilEngineering,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China)

In order to ensure the construction safety of tunnel entrance under the complicated geological condition, the surrounding rock should be pre-supported. The forepoling bolt pre-supporting is adopted and the three-dimensional finite numerical simulation is used to analyze its effect. The calculation results show that when the vault displacement is less than 50 mm and the displacement of side wall is no more than 45 mm, the final safety factor of primary support is about 5.0, so the forepoling bolt pre-supporting can ensure the safety of supporting structure at tunnel entrance. Meanwhile, when the maximum axial force of the forepoling bolt is slightly higher than 13 kN and has a ladder-like distribution, the maximum is located in middle of the forepoling bolt and decreases to two ends gradually, and the axial force of the forepoling bolt in the vault is larger than that of the side walls.

tunnel entrance; forepoling bolt; pre-supporting; finite numerical simulation; complicated geological condition

郎偉鋒)

2014-02-26

張建國(1981—)，男，山東臨朐人，山東交通學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)樗淼琅c地下工程.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.03.011

U455.71

A

1672-0032(2014)03-0051-04