鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系在軟巖隧道中的支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

馮建輝,楊仕恒,姜洪亮,3,4,熊春發(fā),3,4

(1.廣西壯族自治區(qū)公路隧道安全預(yù)警研究中心,廣西 南寧 530007;2.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007;3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530007;4.高等級(jí)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,廣西 南寧 530007)

0 引言

鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系作為支護(hù)方式,多用于礦井巷道中等小斷面隧道中,由于其柔性支護(hù)的特性,在軟巖條件的公路隧道中具備適用性。因鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系的主要設(shè)計(jì)參數(shù)較多,在應(yīng)用于公路隧道時(shí),應(yīng)確定合適的設(shè)計(jì)參數(shù),以保證其能對(duì)軟弱圍巖進(jìn)行有效支護(hù)。因此,對(duì)鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究具有重要的工程意義。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系的支護(hù)參數(shù)研究主要集中于錨桿及鋼支撐等參數(shù),但是對(duì)于各參數(shù)的研究主要為單一變量?jī)?yōu)化[1-2],對(duì)影響支護(hù)效果因素的研究主要為錨桿的間距和錨桿長(zhǎng)度等[3],多參數(shù)全面分析主要采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),有利于最優(yōu)參數(shù)組合的選擇[4]。但對(duì)于鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系支護(hù)參數(shù)的多因素研究?jī)?yōu)化及其在不同級(jí)別軟巖隧道中的應(yīng)用效果還有待進(jìn)一步研究。

本文將采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合數(shù)值模擬的方式,針對(duì)同一埋深下兩種不同等級(jí)的軟巖隧道進(jìn)行計(jì)算分析,快速準(zhǔn)確地得到不同圍巖等級(jí)下鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系在公路隧道中的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù),為鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系應(yīng)用于實(shí)際工程中提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型

隧道計(jì)算模型斷面尺寸如圖1所示,其中,隧道寬為12.44 m,高為10.04 m。本次計(jì)算區(qū)域橫向取120 m、豎向取110 m,隧道縱深方向取60 m,設(shè)置隧道埋深為100 m,如圖2所示。

圖1 隧道斷面尺寸圖(cm)

圖2 模型尺寸圖(m)

使用FLAC 3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分別采用Beam單元和Cable單元對(duì)鋼帶和錨桿進(jìn)行模擬[5],鋼帶選用W型鋼帶,初噴混凝土采用Shell單元進(jìn)行模擬,隧道環(huán)向、縱向鋼帶及錨桿布置如圖3所示。

圖3 隧道鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系構(gòu)件布置示意圖

通過數(shù)值計(jì)算可知,影響鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系受力的主要因素為錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度以及錨桿環(huán)向、縱向布置間距,這與馬濤等[6]所得結(jié)論基本一致,其中錨桿縱向間距即為鋼帶布置間距。支護(hù)體系構(gòu)件布置如圖3所示。

2 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化受力研究分析

針對(duì)錨桿環(huán)向布置間距、錨桿縱向布置間距以及錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化,基于三個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),研究不同支護(hù)參數(shù)條件共同作用下鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系在軟巖隧道中的受力情況。

2.1 Ⅴ級(jí)圍巖

針對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖,結(jié)合模型計(jì)算,設(shè)置錨桿環(huán)向布置間距分別為0.8 m、1.0 m、1.2 m,錨桿縱向布置間距分別為0.8 m、1.0 m、1.2 m,錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度分別為2.5 m、3.0 m、3.5 m。為保證正交試驗(yàn)的有效性,使用隨機(jī)抽取的方式,確定各影響因素的位置,見表1。

表1 Ⅴ級(jí)圍巖因素水平表(m)

根據(jù)因素和水平數(shù),設(shè)計(jì)獲得L9(34)正交試驗(yàn)表,如表2所示。

表2 Ⅴ級(jí)圍巖支護(hù)參數(shù)正交表

基于表2各工況支護(hù)參數(shù),進(jìn)行Ⅴ級(jí)圍巖條件下隧道開挖數(shù)值計(jì)算,并對(duì)隧道圍巖豎向位移變化情況進(jìn)行分析。不同工況條件下,隧道的拱頂沉降量如圖4所示。

(a)工況1

通過對(duì)圖4不同工況的拱頂位移情況進(jìn)行分析可知,工況5條件下,隧道的拱頂沉降最小,為16.39 mm;工況7的拱頂沉降最大,均為16.66 mm。提取各工況條件下,隧道上臺(tái)階周邊圍巖豎向位移數(shù)值,繪制圖5。

圖5 Ⅴ級(jí)圍巖隧道不同工況下上臺(tái)階周邊圍巖豎向位移曲線圖(mm)

由圖5分析可知,在Ⅴ級(jí)圍巖隧道施作鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系,各工況下上臺(tái)階周邊圍巖在拱頂處附近達(dá)到最大豎向位移。

根據(jù)拱頂沉降數(shù)值得到正交試驗(yàn)結(jié)果分析表,如表3所示,其中Ki和ki分別表示該列水平因素為i對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果總和以及算術(shù)平均值。

表3 Ⅴ級(jí)圍巖正交試驗(yàn)結(jié)果分析表

對(duì)比分析極差大小,由于RA>RB>RC,證明在Ⅴ級(jí)圍巖條件下,對(duì)鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系隧道拱頂位移影響最大的因素為錨桿環(huán)向間距,錨桿長(zhǎng)度影響最小。由于本文研究的優(yōu)化方案目的是減少隧道的拱頂沉降,以拱頂沉降量為評(píng)價(jià)指標(biāo),優(yōu)化的目的為降低指標(biāo),故選擇最小評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的水平因素組成優(yōu)化方案。

選擇3個(gè)因素列中,Ki對(duì)應(yīng)的最小水平因素,對(duì)比可知:

A因素列:K2

B因素列:K1

C因素列:K3

由此確定,優(yōu)化方案的組成因素為A2、B1、C3,即錨桿環(huán)向間距為0.8 m,錨桿縱向間距為0.8 m,錨桿長(zhǎng)度為3.5 m。對(duì)該支護(hù)參數(shù)組合進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,豎向位移結(jié)果如圖6所示。

圖6 Ⅴ級(jí)圍巖隧道優(yōu)化方案豎向位移云圖

隧道施作優(yōu)化后的鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系,在拱頂處出現(xiàn)最大豎向位移,拱頂沉降為16.25 mm,小于正交表中的最優(yōu)解工況5得到的拱頂沉降量。

優(yōu)解方案不在正交表分析中的9個(gè)工況中,體現(xiàn)了正交試驗(yàn)預(yù)見性特點(diǎn)的優(yōu)勢(shì),由此反證了關(guān)于鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系支護(hù)參數(shù)的水平因素表的合理性。

2.2 Ⅳ級(jí)圍巖

針對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖,結(jié)合模型計(jì)算和實(shí)際工程狀況,隧道錨桿環(huán)向布置間距僅設(shè)置1.0 m、1.2 m,隧道錨桿縱向布置間距僅設(shè)置1.0 m、1.2 m,設(shè)置錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2.5 m、3.0 m。為保證正交試驗(yàn)的有效性,使用隨機(jī)抽取的方式,確定各影響因素的位置,見表4。

表4 Ⅳ級(jí)圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)因素水平表(m)

根據(jù)因素和水平數(shù),設(shè)計(jì)獲得L4(23)正交試驗(yàn)表,如表5所示。

表5 Ⅳ級(jí)圍巖支護(hù)參數(shù)正交表

基于表5各工況支護(hù)參數(shù),進(jìn)行Ⅳ級(jí)圍巖條件下隧道開挖數(shù)值計(jì)算,分析隧道圍巖豎向位移變化情況。不同工況條件下,隧道的拱頂沉降量如下頁(yè)圖7所示。

(a)工況1

通過對(duì)圖7不同工況的拱頂位移情況進(jìn)行分析可知,工況1和工況3條件下,隧道的拱頂沉降最小,為13.71 mm;工況2的拱頂沉降最大,為13.76 mm。提取各工況條件下,隧道上臺(tái)階周邊圍巖豎向位移數(shù)值,繪制圖8。

圖8 Ⅳ級(jí)圍巖隧道不同工況上臺(tái)階周邊圍巖豎向位移曲線圖(mm)

由圖8分析可知,在Ⅳ級(jí)圍巖隧道施作鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系,各工況下上臺(tái)階周邊圍巖均在拱頂處達(dá)到最大豎向位移。

據(jù)拱頂沉降數(shù)值得到正交試驗(yàn)結(jié)果,如表6所示。

表6 Ⅳ級(jí)圍巖正交試驗(yàn)結(jié)果分析表

對(duì)比分析極差大小,由于RB>RC=RA,證明在Ⅳ級(jí)圍巖條件下,對(duì)鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系隧道拱頂位移影響最大的因素為錨桿縱向間距,錨桿環(huán)向間距影響和錨桿長(zhǎng)度影響程度基本一致,均小于錨桿縱向間距。對(duì)比3個(gè)因素列中,Ki對(duì)應(yīng)的最小水平因素:

A因素列:K2

B因素列:K1

C因素列:K1

由此確定,優(yōu)化方案的組成因素為A2、B1、C1,即錨桿環(huán)向間距為1.0 m,錨桿縱向間距為1.0 m,錨桿長(zhǎng)度為3.0 m。對(duì)該支護(hù)參數(shù)組合進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,豎向位移結(jié)果如圖9所示。

圖9 Ⅳ級(jí)圍巖隧道優(yōu)化方案豎向位移云圖

由圖9可知,對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,隧道施作鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系后在拱頂處出現(xiàn)最大豎向位移,拱頂沉降為13.69 mm,小于正交表中的最優(yōu)解得到的拱頂沉降量。

對(duì)兩種圍巖情況進(jìn)行分析,與Ⅳ級(jí)圍巖相比,對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖隧道中進(jìn)行鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系的優(yōu)化,變形控制效果提升更加明顯,證明鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系在圍巖條件差的軟巖隧道中更具適用性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系在軟巖公路隧道中應(yīng)用的適用性問題,結(jié)合正交試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算,提出了支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化方案,結(jié)論如下:

(1)對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖隧道,鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系中對(duì)隧道拱頂沉降影響程度最高的支護(hù)參數(shù)為錨桿環(huán)向間距;在Ⅳ級(jí)圍巖隧道中,錨桿縱向間距對(duì)支護(hù)體系的變形控制效果影響最大。

(2)通過計(jì)算分析,Ⅴ級(jí)圍巖隧道中,鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系選用錨桿環(huán)向間距為0.8 m、錨桿縱向間距為0.8 m、錨桿長(zhǎng)度為3.5 m支護(hù)效果最優(yōu),最小拱頂沉降量為16.25 mm;Ⅳ級(jí)圍巖隧道支護(hù)參數(shù)建議選用錨桿環(huán)向間距為1.0 m,錨桿縱向間距為1.0 m,錨桿長(zhǎng)度為3.0 m,最小拱頂沉降量為13.69 mm。

(3)與Ⅳ級(jí)圍巖隧道相比,鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系優(yōu)化后應(yīng)用于Ⅴ級(jí)圍巖隧道中,變形控制能力提升幅度更大。