深埋隧道桿系支護結構受力特性數值分析

秦 世 華

(運城至靈寶高速公路建設管理處,山西 運城 044000)

深埋隧道桿系支護結構受力特性數值分析

秦 世 華

(運城至靈寶高速公路建設管理處,山西 運城 044000)

依托中條山特長公路隧道工程，采用有限差分軟件FLAC3D，以深埋段為研究對象，對各工況(有無鎖腳錨桿、有無超前導管)圍巖變形及支護結構受力進行了分析，研究結果表明：鎖腳錨桿的設置對拱頂沉降及收斂位移的控制有明顯作用；超前導管設置與否對圍巖變形以及支護結構受力基本無影響，但能提高掌子面前方土體穩定性。

深埋隧道，鎖腳錨桿，超前導管，變形，受力

0 引言

隧道桿系支護結構(錨桿、超前導管等)在調整結構受力及控制地層變形等方面有顯著作用。其中，隧道中的鎖腳錨桿主要是防止拱腳收縮或掉拱。進行分步開挖時，在上一開挖步開挖支護完成，下一開挖步開挖前，采用在已施作拱架連接處兩側斜向下打入錨桿。錨桿即可起到穩定懸臂梁的作用，給上部結構支撐作用，同時錨固在巖土體中錨桿與拱架聯合作用，可抑制水平收斂。

超前導管是隧道工程掘進施工過程中的一種工藝方法，主要用于自穩時間短的軟弱破碎帶、淺埋段、洞口偏壓段等地段的預支護。其主要作用是對圍巖進行加固，保證工作面前方土體的穩定性。

國內學者羅彥斌等[1]以包茂線西康高速公路包家山特長公路隧道為依托，采用現場試驗和理論推導方法，建立了鋼架和鎖腳錨桿力學計算模型，并給出了鎖腳錨桿彎矩分布圖。徐晨[2]、張濤[3]采用數值模擬方法分析了鎖腳錨桿(管)在不同打設角度、不同長度、不同數量等方面對隧道周邊圍巖變形的影響，并通過現場試驗對鎖腳錨桿作用進行了驗證。黃明琦[4]依托廈門海底隧道，建立了鎖腳錨桿力學分析模型，系統地研究了軟弱破碎圍巖地段鎖腳錨桿受力和變形規律。姜軍[5]針對達陜高速公路金竹山隧道中超前小導管長度過短帶來的問題，研究了一種快速便捷、安全可靠的超長超前支護施工的方法。張國榮等[6]根據超前導管注漿工藝的原理，結合工程實例將超前導管高壓注漿技術應用于不良地質缺陷處置。李東勇等[7]采用數值模擬方法，研究了不同超前導管注漿范圍對圍巖變形的影響規律。

本文以中條山特長公路隧道深埋圍巖段為研究對象，采用有限差分模擬方法，對不同工況下鎖腳錨桿、超前導管的功效及受力特性進行分析。

1 工程概況

中條山隧道最大埋深約540 m。該段地層主要由太古界涑水群表殼巖組合解州片麻巖(Hgn)地層組成，此段組成隧道的圍巖巖性主要為花崗片麻巖、變粒巖等。巖層產狀整體傾向南東，傾角介于50°～70°之間。該段地層巖性復雜，組合無規律，構成中條山隧道分水嶺北側的主體。

由于該段圍巖軟弱破碎，故采用SVc型加強型復合式襯砌，超前支護各環采用φ42，4 mm厚注漿小導管，長4.5 m，搭接長度1.3 m，環向間距35 cm，斜插角10°～15°。鋼拱架為Ⅰ20a型鋼拱架，縱向間距0.75 m，環形間距1.0 m。鎖腳錨桿采用φ22螺紋鋼，長3.5 m，在中臺階拱腳、下臺階邊墻腳各打設2根；C25噴射混凝土厚度26 cm。二次襯砌和仰拱C30鋼筋混凝土厚度50 cm。

2 數值模型

采用大型有限差分軟件FLAC3D進行建模分析。為簡便計算，采用1/2模型計算，計算范圍為60 m×60 m×140 m(X×Y×Z)。模型中圍巖均采用摩爾庫侖材料，初支噴射混凝土為線彈性體，采用梁單元模擬；鎖腳錨桿和超前導管均采用樁單元模擬；二襯和仰拱混凝土均采用殼單元模擬。初期支護鋼拱架和鋼筋網片支護效果采用等效方法，將兩者彈性模量折算給混凝土[8,9]，材料及支護結構力學參數見表1。

支護結構平面布置圖如圖1所示，計算模型如圖2所示。

圖1中，超前注漿小導管沿環向布置37根。鎖腳錨桿分別在兩側拱腳和邊墻腳設置2根，共計8根。

為揭示鎖腳錨桿、超前導管的作用效能，本文對有無鎖腳錨桿、有無超前導管共計3個工況進行了對比分析，各工況支護結構設置如表2所示。

3 數值模擬結果分析及方案比選

表2 計算工況

為揭示隧道桿系支護結構的功效及受力特性，下面對不同工況下典型斷面圍巖變形和支護結構受力進行對比分析。

3.1 鎖腳錨桿效果分析

為揭示鎖腳錨桿的作用效能，選取工況一和工況三，工況一不設置鎖腳錨桿，工況三設置鎖腳錨桿。開挖至典型斷面時，兩種工況下典型斷面處拱頂沉降、收斂位移與開挖步關系曲線如圖3，圖4所示。

從圖3，圖4可看出，鎖腳錨桿的設置對拱頂沉降及收斂位移的控制有明顯作用。從圖3可看出，設置鎖腳錨桿后，待開挖完畢之后，拱頂沉降比未設置時減小了約21.5%，從圖4可看出，設置鎖腳錨桿后，待開挖完畢之后，收斂位移比未設置時減小了約12.5%。這說明，鎖腳錨桿的設置，既能起到邊墻錨桿的作用，又能有效約束左右側圍巖向隧道內變形，對上部襯砌結構起支撐作用。

3.2 超前導管效果分析

選取工況二和工況三，工況二不設置超前導管，工況三設置超前導管。通過對各工況塑性區分布分析，可以看出，設置超前導管后，掌子面處的破壞區域分布明顯比未設置超前導管時小。由此推斷超前導管的設置有利于掌子面的穩定。

采用兩種工法開挖完畢直至穩定后，初襯、超前導管以及錨桿受力情況如表3所示。

表3 支護受力表

表3顯示，超前導管與鎖腳錨桿以及系統錨桿的作用機理不同，其最大軸力表現為壓應力。其主要作用是對圍巖進行加固，保證工作面前方土體穩定性。超前導管設置與否對支護結構受力基本無影響。

4 結語

通過對不同工況(有無鎖腳錨桿、有無超前導管)圍巖變形及支護結構受力進行數值分析，得出以下結論：

1)鎖腳錨桿的設置對拱頂沉降及收斂位移的控制有明顯作用。既能有效約束左右側圍巖向隧道內變形，起到邊墻錨桿的作用，又能對上部襯砌結構起支撐作用，在本例中，由于鎖腳錨桿承受拉應力作用，故其主要抑制圍巖向隧道內變形。

2)超前導管設置與否對圍巖變形以及支護結構受力基本無影響，但其能對圍巖進行加固，保證工作面前方土體穩定性。

[1] 羅彥斌,陳建勛.軟弱圍巖隧道鎖腳錨桿受力特性及其力學計算模型[J].巖土工程學報,2013,35(8):1519-1525.

[2] 徐 晨.軟弱圍巖隧道中鎖腳錨桿支護效果研究[D].西安:長安大學,2010.

[3] 張 濤.軟弱圍巖隧道鎖腳錨桿(管)支護特性研究[D].西安:長安大學,2011.

[4] 黃明琦.鎖腳錨桿作用機理及其在廈門翔安隧道中的應用研究[J].鐵道建筑技術,2009(7):86-89.

[5] 姜 軍.軟弱圍巖隧道的超長超前導管施工技術[J].價值工程,2012(34):126-127.

[6] 張國榮,古 軍.超前導管高壓注漿技術在隧道不良地質段塌方處理中的應用[J].價值工程,2012(6):97-98.

[7] 李東勇,徐禎祥,侯慶華.暗挖隧道超前導管注漿對地層位移影響規律的研究[J].鐵道建筑,2007(8):34-37.

[8] JTG D70—2004,公路隧道設計規范[S].

[9] 王石春.隧道工程巖體分級[M].成都:西南交通大學出版社,2007.

Numerical analysis of framed support structure of deep buried tunnel

Qin Shihua

(Yuncheng-LingbaoExpresswayConstructionManagement,Yuncheng044000，China)

Based on Zhongtiaoshan extra-long highway tunnel engineering, applying finite difference software FLAC3D, taking deep buried tunnel section as the research target, the paper analyzes surround rock deformation with and without feet-lock bolt and advanced conduit and bearing structure stress. Research results show that: setting foot-lock bolt has obvious role for controlling top arch subsidence and convergence displacement, whether setting advanced conduit or not has no impact for surrounding rock deformation and bearing structure stress, but can improve soil stability of working face.

deep buried tunnel, foot-lock bolt, advanced conduit, deformation, stress

2015-01-17

秦世華(1966- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)09-0166-02

TU457

A