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      鎖腳錨桿對(duì)軟巖隧道支護(hù)的有限元數(shù)值模擬

      2022-09-18 06:45:18侯代英李振雨李政興馬東東
      交通科技與管理 2022年18期
      關(guān)鍵詞:軟巖拱頂錨索

      侯代英,李振雨,李政興,馬東東

      (中交一公局集團(tuán)有限公司,北京 100024)

      0 引言

      在實(shí)際工程中,軟巖隧道支護(hù)是隧道支護(hù)的一個(gè)難題,這是由于軟巖自身所具有的遇水易軟化、變形大且強(qiáng)度低等的缺點(diǎn)。由于軟巖的這些缺點(diǎn),給設(shè)計(jì)和施工帶來了一定的困難,而且會(huì)在一定程度上影響隧道的長期穩(wěn)定性。

      為了解決軟巖問題,我國學(xué)者做了大量的研究[1-4],這些研究對(duì)實(shí)際工程問題的解決提供了有力支持。近年來,中國學(xué)者以實(shí)際工程為背景對(duì)軟巖隧道的具體問題進(jìn)行了分析[5-7],蒙浩[8]以某地特長軟巖公路隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例,分析和闡述了隧道主導(dǎo)思路設(shè)計(jì)與工程施工的技術(shù)手段,為類似的工程施工建設(shè)具有一定的指導(dǎo)作用和參考價(jià)值。宋洋等[9]建立了一個(gè)基于軟巖的流變特性的隧道模型,在地震荷載的作用下并利用三維有限差分軟件FLAC3D軟件,分析了不同支護(hù)剛度條件下圍巖變形和支護(hù)體應(yīng)力情況。

      該文以臨渭高速公路某隧道為研究對(duì)象,對(duì)軟巖區(qū)域工程地質(zhì)資料和支護(hù)參數(shù)開展監(jiān)測(cè)分析,在現(xiàn)有的隧道工程建設(shè)和文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上調(diào)查、檢索、學(xué)習(xí),并應(yīng)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段,對(duì)軟弱圍巖段支護(hù)體系進(jìn)行靜力狀態(tài)分析,對(duì)不同工況的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)并提出合理的支護(hù)措施。

      1 有限元模擬

      1.1 工程背景

      該研究依托工程某軟巖隧道,該隧道的建筑限界凈空凈寬為13.428 2 m、凈高7.11 m。隧道采用單心圓(凈面積A=79.02 m2),選用錨索和錨桿兩種支護(hù)方法進(jìn)行支護(hù),以鋼筋網(wǎng)、濕噴混凝土等結(jié)合錨索或者錨桿作為初期支護(hù),形成內(nèi)復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu);并以鋼拱架、超前大管棚、鋼格柵、注漿和超前錨桿等措施作為輔導(dǎo)設(shè)施,使圍巖能夠發(fā)揮自身的承載能力;接下來進(jìn)行初期支護(hù)和二次模筑襯砌的施工,以便指導(dǎo)施工,應(yīng)在施工過程中全程監(jiān)控量測(cè)。通過理論計(jì)算分析并結(jié)合類似工程的經(jīng)驗(yàn),確定初期支護(hù)參數(shù),隧道洞身段的進(jìn)洞口采用超前管棚結(jié)構(gòu)。為了更好地指導(dǎo)隧道施工,監(jiān)測(cè)監(jiān)控支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇在隧道的左線,所在位置的圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

      1.2 邊界條件

      位移邊界條件為:左、右邊界的水平方向位移為0,即U2=0,下邊界的位移邊界條件為固定邊界U1=U2=0,上邊界為自由邊界。

      應(yīng)力邊界條件為:由于工程的復(fù)雜性和多變性,在數(shù)值模擬過程中采用以下假定:隧道周圍的土體和巖體為均質(zhì)體,忽略場(chǎng)地內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)的影響。通過計(jì)算取垂直應(yīng)力,水平應(yīng)力為側(cè)壓系數(shù)與垂直應(yīng)力乘積,即其中K0為土的側(cè)壓系數(shù)。

      1.3 建立模型

      模型所采用的有限元軟件為Midas/GTS,取隧道埋深為:80.298 3 m的位置,在模擬區(qū)域的選擇上,向左、右、下方向各取30 m,上部按工程勘察資料選取80.298 3 m。土層及其參數(shù)如表1所示,模擬過程中,巖體的本構(gòu)模型采用摩爾庫侖模型。在模擬復(fù)合襯砌的開挖過程中,考慮建立動(dòng)態(tài)施工過程,建模過程中,使用桿單元模擬錨桿,使用殼體結(jié)構(gòu)單元模擬襯砌,襯砌厚度為30 cm。二次襯砌需要控制其變形,采用彈性模型進(jìn)行模擬,混凝土噴涂層厚度為45 cm。考慮隧道的結(jié)構(gòu)形式,想要得到可靠的計(jì)算結(jié)果,在內(nèi)部劃分細(xì)密,隧道內(nèi)及周圍采用細(xì)密網(wǎng)格劃分,然后向外延伸,在外圍做劃分網(wǎng)格的輔助圓,相應(yīng)的網(wǎng)格單元如圖1所示。

      根據(jù)設(shè)計(jì)資料,提取出相關(guān)的材料參數(shù)如表1所示。

      表1 計(jì)算模型參數(shù)

      1.4 開挖施工階段模擬

      施工過程所選用兩種支護(hù)方法,即系統(tǒng)錨桿支護(hù)和鎖腳錨桿支護(hù),實(shí)際施工過程中,系統(tǒng)錨桿每個(gè)階段的施工步序包括開挖和施工襯砌,主要為:初始階段→上部開挖階段和上部初襯→中部開挖和中部襯砌→下部開挖和下部初襯→二次襯砌和下部回填。

      鎖腳錨桿支護(hù)的施工步序?yàn)椋撼跏茧A段→上部開挖階段和上部初襯→中部開挖和中部襯砌→下部開挖和下部初襯→二次襯砌和下部回填。

      2 數(shù)值模擬結(jié)果比分析

      2.1 總位移的施工階段數(shù)值模擬

      2.1.1 加系統(tǒng)錨桿的施工階段模擬

      將該次模擬的系統(tǒng)錨桿穩(wěn)定的位移結(jié)果情況作對(duì)比,如圖2所示。

      圖2 系統(tǒng)錨桿總位移的數(shù)值模擬

      從圖2可以看出其最大位移發(fā)生的位置在拱頂和仰拱的位置。這樣對(duì)于拱頂和仰拱位置的支護(hù)要求比較高。

      2.1.2 加鎖腳錨桿的施工階段模擬

      將該次模擬的鎖腳錨桿穩(wěn)定的位移結(jié)果情況作對(duì)比,如圖3所示。

      圖3 鎖腳錨桿總位移的數(shù)值模擬

      從圖3可以看出,總位移變化最大的位置在鎖腳錨桿的另一端,即在加鎖腳錨桿后,軟巖通過鋼架把力傳遞給鎖腳錨桿,由于鋼架的剛度大,導(dǎo)致拱頂?shù)奈灰葡鄬?duì)鎖腳錨桿端部的位移較小。

      通過有限元模擬對(duì)拱頂?shù)奈灰茦?biāo)記記錄其在各個(gè)施工階段的位移變化規(guī)律,對(duì)比系統(tǒng)錨桿與鎖腳錨桿支護(hù)下軟巖隧道的拱頂總位移隨開挖階段的變化曲線,其變化如圖4所示。

      圖4 鎖腳錨桿和系統(tǒng)錨桿的各施工階段總位移變化規(guī)律

      從圖4可以看出系統(tǒng)錨桿支護(hù)和鎖腳錨桿支護(hù)的總位移的變化規(guī)律,各階段錨索支護(hù)的位移相對(duì)于錨桿支護(hù)較大,但都滿足設(shè)計(jì)要求。從前面這些圖可以看出,錨桿支護(hù)的軟巖隧道最大拱頂位移0.034 1 mm,鎖腳錨桿支護(hù)軟巖隧道最大拱頂位移為0.039 51 m,兩者都滿足最小變形的要求,但相對(duì)于其各自的支護(hù)方式,系統(tǒng)錨桿的材料用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)比鎖腳錨桿多,使用錨索比較經(jīng)濟(jì),很大程度上節(jié)約了材料。

      2.2 垂直位移的施工階段數(shù)值模擬

      2.2.1 加系統(tǒng)錨桿的總位移

      將該次模擬結(jié)果中圍巖穩(wěn)定后的垂直位移情況作對(duì)比,如圖5所示。

      觀察圖5可以發(fā)現(xiàn),在系統(tǒng)錨桿的支護(hù)下,軟巖隧道的最大位移位置出現(xiàn)在拱頂,上拱頂?shù)某两底畲螅卵龉俺霈F(xiàn)的最大上凸位移。

      圖5 千斤頂反力座模型

      2.2.2 加鎖腳錨桿的垂直位移

      將該次模擬結(jié)果巖穩(wěn)定后的垂直位移情況作對(duì)比,如圖6所示。

      圖6 鎖腳錨桿垂直位移的數(shù)值模擬

      從圖6可以看出在鎖腳錨桿支護(hù)方式下隧道開挖隧道的垂直位移的特點(diǎn),最大位移發(fā)生的位置不在拱頂,而在鎖腳錨桿支護(hù)的另一端。

      通過有限元Midas GTS NX進(jìn)行模擬,并記錄了軟巖隧道拱頂?shù)呢Q向位移在不同施工階段的變化規(guī)律,其變化規(guī)律如圖7所示。

      圖7 錨索支護(hù)的各施工階段垂直位移變化規(guī)律

      從圖7可以看出系統(tǒng)錨桿支護(hù)和鎖腳錨桿支護(hù)的垂直位移的變化規(guī)律,各施工階段錨桿支護(hù)的垂直位移相對(duì)于錨索支護(hù)較小,但都滿足設(shè)計(jì)要求。從圖7可以發(fā)現(xiàn),采用錨桿支護(hù)產(chǎn)生最大垂直位移為?0.034 2 mm,而采用錨索支護(hù)產(chǎn)生的最大垂直位移為?0.039 4 mm,鎖腳錨桿支護(hù)和錨桿支護(hù)都滿足設(shè)計(jì)要求,從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā),系統(tǒng)錨桿的數(shù)量和用材要比鎖腳錨桿多;因此使用錨索更加經(jīng)濟(jì)適用。

      3 結(jié)論

      該文通過有限元軟件對(duì)某高速公路隧道所采用的兩種支護(hù)方式進(jìn)行對(duì)比分析,研究鎖腳錨桿支護(hù)和系統(tǒng)錨桿支護(hù)在滿足承載要求和變形要求的前提下更經(jīng)濟(jì)適用。根據(jù)模擬結(jié)果可以得到以下結(jié)論:

      (1)根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),錨桿支護(hù)和鎖腳錨桿支護(hù)下的拱頂最大位移和隧道斷面最大垂直位移均能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,但鎖腳錨桿的材料用量遠(yuǎn)小于系統(tǒng)錨桿較為經(jīng)濟(jì)。

      (2)從發(fā)生最大的位移的位置,可以看出系統(tǒng)錨桿支護(hù)最大位移發(fā)生的位置在拱頂和仰拱處,而鎖腳錨桿支護(hù)產(chǎn)生的最大位移在鎖腳錨桿支護(hù)的另一端。對(duì)比產(chǎn)生最大位移的位置發(fā)現(xiàn),鎖腳錨桿支護(hù)另一端的位移相對(duì)于發(fā)生在拱頂和仰拱的位置對(duì)隧道的影響較小,而發(fā)生在鎖腳支護(hù)另一端的位移對(duì)正常的施工和運(yùn)行沒有較大的影響,發(fā)生在拱頂和仰拱的位置會(huì)直接影響施工和隧道的正常運(yùn)行。

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