裝配式波紋鋼隧道初期支護結構數值分析

李樹繁 王小明 蔣鶴 李昌洲

摘要：文章采用數值模擬方法對云南某公路隧道利用裝配式波紋鋼作為初期支護時單獨承載和錨桿聯合承載兩種工況下波紋鋼的力學性能進行了分析。結果表明：V級圍巖深埋條件下，380 mm×140 mm×5 mm型號裝配式波紋鋼單獨承載不能滿足要求，但聯合錨桿可以提升波紋鋼初支的承載能力。裝配式波紋鋼未來可以作為一種新型的隧道初期支護結構形式。

關鍵詞：裝配式波紋鋼;初期支護;數值分析

0 引言

近年來，隨著我國國民經濟水平的持續提高與西部山區交通建設的不斷實施，山區公路隧道建設獲得了飛速發展[1-5]。隧道開挖時需及時完成初期支護以控制圍巖變形，目前我國山區公路隧道普遍采用的初期支護形式為型鋼+錨噴，此種結構雖可迅速承載并控制圍巖變形，但也存在型鋼背后噴混凝土不易密實、結合處易開裂等缺陷。因此，有必要尋找新型的支護結構形式和施工方法以克服上述問題。波紋鋼具有剛度大、抗變形能力強、施工便捷等優點，其已在我國橋涵、明洞、城市綜合管廊等工程中廣泛應用[2]，但其作為初期支護在隧道工程中的研究和應用尚處于空白，有必要探討其可行性。本文以云南某高速公路隧道工程為對象，采用MIDAS/GTS-NX有限元軟件，對裝配式波紋鋼結構用作隧道初期支護結構進行數值模擬，從力學角度分析了其工程可行性。

1 工程概況

隧道為雙洞四車道，凈寬為11 m，凈高為7.1 m，全長為2 475 m，縱坡為1.11%，洞口局部地段采用小凈距隧道形式布置，洞身段按分離式布設。本次計算考慮了隧道最不利情況，選取K17+000～K17+100區域埋深最大處作為計算斷面，埋深達85 m，處于V級圍巖。圍巖為褐紅色泥巖、褐黃色泥巖、泥質粉砂巖、砂巖夾礫巖、泥巖白云巖，以強風化呈碎石土狀為主，局部可呈中風化碎塊狀，巖質較軟、巖體節理裂隙很發育、很破碎，呈碎裂松散結構。地下水以松散巖類孔隙水及基巖裂隙水為主。隧道斷面如圖1所示。

2 數值模擬

2.1 計算假定

本次數值模擬軟件選用MIDAS/GTS-NX，結合工程現場情況，建模時做如下假定：（1）取隧道縱斷面每延米為計算單元作為平面應變問題進行二維數值模擬;（2）考慮波紋鋼初期支護結構處于V級圍巖中，以初期支護承擔全部圍巖壓力的80%;（3）波紋鋼結構按照抗彎、抗拉剛度相等的原則等效為矩形鋼帶，鋼帶采用梁單元模擬（見圖2）;（4）錨桿選取3 m長25×3.0中空注漿錨桿，每塊波紋鋼板（按3 m計算）施加兩根錨桿，錨桿按照受拉彈簧進行模擬。

2.2 材料參數選取

根據隧道現場工程地質情況并參考設計文件，圍巖及材料力學指標如表1所示。

2.3 圍巖荷載計算

參考《公路隧道設計規范》（JTG D70-2004）[5-6]，考慮隧道斷面情況和所處圍巖等級（其中S=5，B=12.86 m，按兩側各超挖18 cm計，取i=0.1），計算可得V級圍巖深淺埋臨界深度計算值為32.148 m<85 m，因此，本次按照深埋隧道計算圍巖壓力。斷面荷載計算時，根據《公路隧道設計規范》[5-6]（JTG D70-2004）計算可得垂直均布壓力為205.75 kN/m、水平均布壓力為102.874 kN/m，按照80%由波紋鋼初支承擔的假定計算可得：拱頂荷載為205.75 kN/m、側墻頂部荷載為82.3 kN/m、側墻底部荷載為242.3 kN/m。隧道初期支護等效荷載如圖3所示。

2.4 計算模型建立

本次計算選用380 mm×140 mm×5 mm型號波紋鋼作為隧道初期支護結構。查閱《波紋鋼埋置式結構設計施工手冊》[13]得到其截面參數為：面積A=6.477 mm2/mm，慣性矩I=15 117.752 mm4/mm。為便于計算，按照抗彎、抗拉剛度等效的原則，將其等效為厚度為0.167 4 m、寬度為0.038 7 m的矩形截面鋼帶[11-15]。

在建立二維隧道截面模型時，利用曲面彈簧功能定義模型邊界條件，荷載組合為圍巖壓力+襯砌自重+地層彈簧，以波紋鋼單獨承載和波紋鋼聯合錨桿共同承載兩種情況作為計算工況，各工況模型分別如圖4、圖5所示。

3 結果分析

模型計算時考慮了波紋鋼單獨承載（C1）及與錨桿聯合承載兩種工況（C2），分別對荷載作用下波紋鋼的變形、軸力、剪力、彎矩進行計算，以評價其作為初期支護結構的承載能力。限于篇幅，此處只展示C1的計算結果云圖（見圖6～10），兩種工況的計算結果以表格的形式給出（見下頁表2）。

通過分析可知：

（1）在荷載作用下，波紋鋼初期支護結構整體向洞內收斂，主要體現為拱頂下沉，C1最大達到6.97 cm，C2最大達到3.32 cm，且與圍巖脫空。由于用于模擬圍巖的曲面彈簧僅受壓不受拉，因此頂部曲面彈簧受力為零，位移表現與實際情況相符。

（2）軸力值方面，C1最大為1 800 kN、最小為1 150 kN;C2最大為1 370 kN、最小為720 kN，均產生在仰拱底部附近，由拱底至拱頂逐漸減小。

（3）剪力值方面，C1最大為88.86 kN，C2最大為139 kN，均產生在靠近拱頂兩側及拱腳底部，兩側拱腰的剪力值相對較小。由于錨桿對圍巖和波紋鋼產生了板體作用，增加軸向受力。

（4）C1正彎矩最大值為45.1 kN·m，C2正彎矩最大值為37.3 kN·m，均發生在波紋鋼拱頂正中;而C1負彎矩最大值為40.9 kN·m，C1負彎矩最大值為30.6 kN·m，均發生在波紋鋼拱頂兩側。其原因在于波紋鋼頂部產生較大向下位移，而拱頂兩側相對拱頂而言向外拱起，使得波紋鋼頂部內外均產生拉力。

為了更好地評價波紋鋼初期支護結構的力學性能，按照《公路隧道設計規范》（JTG D70-2004）規定[5]，彎矩與軸力全部由波紋鋼承擔。兩種工況的計算結果如表3所示。

根據表3計算結果可以看出：兩種工況下波紋鋼的最大應力值分別為375.89 MPa和271.34 MPa，可見施作錨桿以后波紋鋼的最大應力值小于屈服強度345 MPa。而根據美國AISI圓管規范中考慮屈曲影響的極限壓應力確定方法，本次計算跨徑下380 mm×140 mm×5 mm型號波紋鋼結構極限應力取值為230 MPa，在此種條件下波紋鋼初期支護結構在兩種工況下均不滿足美國AISI管涵規范的波紋鋼強度驗算條件。但考慮到美國AISI波紋鋼管涵規范中，波紋鋼管涵作為主要受力結構主體，而V級圍巖條件下波紋鋼初期支護結構與二次襯砌共同受力，因此按照美國AISI管涵規范驗算中的安全系數取值為1.5過于保守，若安全系數放寬至1.2，則380 mm×140 mm×5 mm型號波紋鋼初期支護結構在施加錨桿情況下采用荷載結構法可以滿足要求[11-13]。

4 結語

本文基于隧道實體工程，采用荷載結構法對波紋鋼作為初期支護結構進行了數值模擬，分析了波紋鋼單獨承載和施加錨桿聯合承載兩種工況下的波紋鋼力學特性，主要結論如下：

（1）在V級圍巖深埋條件下，380 mm×140 mm×5 mm型號裝配式波紋鋼單獨作為支護結構時承載能力不能滿足要求，具有一定風險。

（2）與其他部位相比，裝配式波紋鋼初期支護結構的最大變形、彎矩、剪力發生在拱頂，特別是拱頂處位移應加以控制。

（3）錨桿可提高裝配式波紋鋼支護結構的承載能力，減小拱頂位移，在結算不滿足要求時，可從經濟性、施工現場條件、截面特性等角度考慮調整波紋鋼的參數，以提升整體承載力。

（4）裝配式波紋鋼具有型鋼拱架不可替代的技術優勢，若能實現快速拼裝，未來將極大地提升隧道支護效率和安全性。

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作者簡介：李樹繁（1977—），高級工程師，主要從事公路工程研究與管理工作;

王小明（1990—），工程師，主要從事公路工程施工管理與研究工作;

蔣 鶴（1973—），教授級高級工程師，主要從事公路工程施工管理與研究工作;

李昌洲（1986—），工程師，主要從事公路工程施工管理與研究工作。

基金項目：云南省交通運輸廳科技項目“裝配式波紋鋼拱形棚洞設計施工關鍵技術研究”（云交科教〔2018〕23號）