黃土隧道系統錨桿和鎖腳錨桿錨固效果研究

黃磊 重慶交通大學土木工程學院 重慶 400041

0 引言

隨著我國交通行業的迅速發展,越來越多的隧道穿過了黃土高原的山脈,使我國西部的交通發展迅速.系統錨桿作為新奧法施工的重要支護手段在黃土隧道施工中也得到了應用.錨桿由于其增強效應、懸吊效應、內壓效應以及成拱效應四種加固效應可以提高圍巖的力學性能,改變圍巖的受力狀態【1】.

然而由于黃土土質疏松,遇水易濕陷的特點,工程界對于系統錨桿在黃土隧道中的錨固作用產生了諸多分歧【2】.而目前對于黃土隧道錨桿支護作用的研究也越來越多,如陳建勛等【3】對陜西省吳堡——子州高速公路上3座黃土隧道中的48根錨桿應力進行現場測試和統計分析,研究了黃土隧道錨桿受力與作用機制 張濤【4】通過數值模擬方法,研究了鎖腳錨桿(管)的承載特性,分析了隧道鎖腳錨桿(管)不同下插角、長度、打設位置及直徑等對控制隧道變形的影響規律.

本文采用有限差分數值模擬軟件ANSYS,擬通過建立格柵拱架+噴射混凝土+系統錨桿和格柵拱架+噴射混凝土+鋼筋網+鎖腳錨桿兩種工況的數值模型,用強度折減法確定不同工況下隧道的安全系數,從而定量的分析研究黃土隧道系統錨桿和鎖腳錨桿的錨固效果.

1 隧道安全系數的計算

1.1 有限元強度折減法

有限元強度折減法是由鄭穎人等【5】提出,最早用于邊坡穩定性分析中,后來被廣泛應用于隧道等結構的安全系數計算中.

所謂強度折減,就是在理想彈塑性有限元計算中將邊坡巖土體抗剪強度參數逐漸降低直到其達到破壞狀態為止,此時的折減系數即為強度儲備安全系數 .

1.2 有限元計算中隧道破壞的表現

隧道結構的破壞為失穩破壞,表現為拱頂懸垂與塌落失穩、側壁突出與滑移失穩.

通過有限元強度折減,隧道達到失穩破壞時,破壞面上的位移將發生突變,產生很大的且無限制的塑性流動,這個過程在有限元程序中模擬時表現為以任何收斂標準判斷時計算都不收斂.

綜上,本文中重點關注拱頂沉降值以及周邊收斂值.

2 有限元模擬

2.1 建立模型

實踐和理論分析證明,對于地下洞室開挖后的應力和應變,僅在洞室周圍距洞室中心點3~5倍開挖寬度(或高度)的范圍內存在實際影響.本文采用地層結構法建立二維模型并分析,圍巖模型的長度為4倍的洞寬,高度為3倍的洞高,即圍巖模型的寬度為100m,高度為60m.

圍巖采用Plane42單元模擬,錨桿采用Link單元模擬,噴射混凝土和鋼拱架采用Beam3單元模擬.

由于軟弱圍巖不具有自承能力,故開挖前采用超前小導管注漿、管棚注漿、帷幕注漿等措施進行超前支護.在模擬時采用高峰等【6】提出的隧道圍巖注漿加固效應模擬的改進方法,即在加固區域的每一個單元上都附加一個新的單元(新舊單元公用節點),并對新單元賦予一定的自重、彈性模量的力學參數,但無初始應力和應變.建立模型并劃分網格后如圖1所示.

圖 1 劃分網格后的模型

2.2 施工過程模擬

由于黃土隧道一般采用分部開挖,為了減少計算量本次只模擬上臺階開挖過程.因隧道屬于深埋隧道且不考慮構造節理影響,故地應力按初始自重應力場考慮.

模擬過程采用應力釋放法,即先計算初始自重應力,并將其轉化為等效節點荷載.將開挖后臨空面上的等效節點荷載提取出來.根據賴金星等【7】所做的黃土連拱隧道支護結構力學特性現場試驗,初期支護和二次襯砌的荷載分擔比例為48%和52%,二次襯砌處于明顯地承載狀態.本文中由于巖性較差,圍巖+初期支護的荷載分擔比取較小值即40%,這樣也可使計算偏于安全,同時也符合公路隧道設計細則【8】中給出的合荷載釋放系數建議值.

施加荷載過程中,部分巖土體進入塑性狀態后,由材料屈服引起的過量塑性應變以初應變的形式被轉移并由整個體系中的所有單元共同承擔.每一時步中,各單元與過量塑性應變相應的初應變均以等效節點力的形式起作用,并處理為再次計算時的節點附加荷載.圍巖的工作狀態采用德魯克-普拉格準則【9】(簡稱D-P準則)檢驗.

為了簡化計算本文只模擬初支的工況,分別用系數折減法計算施加格柵拱架+噴射混凝土+系統錨桿和施加格柵拱架+噴射混凝土+鋼筋網+鎖腳錨桿兩種情況下隧道的安全系數,并提取拱頂節點的豎向位移值以及拱腳節點的水平位移值進行分析.

3 模擬結果對比及分析

工況一為:格柵拱架+噴射混凝土+系統錨桿 工況二為:格柵拱架+噴射混凝土+鋼筋網+鎖腳錨桿.模擬結果如表1所示:從表1可以看出:施加鎖腳錨桿的效果好于系統錨桿.施加鎖腳錨桿后結構的安全系數為1.44,比施加系統錨桿高0.4 拱頂的沉降比施加系統錨桿小18mm 拱腳的水平位移比施加系統錨桿小18mm.

表 1 安全系數及拱頂和拱腳位移值

2號節點(拱腳)Ux 0.00085 0.00067

4 結論

(1)本文從定量的角度分析黃土隧道系統錨桿和鎖腳錨桿的錨固效果,發現黃土隧道中系統錨桿的效果不佳,可用鎖腳錨桿代替.

(2)在黃土隧道施工中,由于圍巖本身因素和現場施工條件,系統錨桿的施工質量以及作用效果并不能保證,且耗時耗力,易造成不必要的浪費.因此鎖腳錨桿(管)的作用則更加明顯.

(3)本文對圍巖的超前支護采取改進的提高圍巖力學參數的方法,且并未分析這個過程對系統錨桿作用的影響.可能會導致誤差.這一部分有待深入研究.