鋼帶-錨桿聯合支護體系在軟巖隧道中的支護參數優化研究

馮建輝,楊仕恒,姜洪亮,3,4,熊春發,3,4

(1.廣西壯族自治區公路隧道安全預警研究中心,廣西 南寧 530007;2.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007;3.廣西道路結構與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;4.高等級公路建設與養護技術、材料及裝備交通運輸行業研發中心,廣西 南寧 530007)

0 引言

鋼帶-錨桿聯合支護體系作為支護方式,多用于礦井巷道中等小斷面隧道中,由于其柔性支護的特性,在軟巖條件的公路隧道中具備適用性。因鋼帶-錨桿聯合支護體系的主要設計參數較多,在應用于公路隧道時,應確定合適的設計參數,以保證其能對軟弱圍巖進行有效支護。因此,對鋼帶-錨桿聯合支護體系的支護參數進行優化研究具有重要的工程意義。

目前,國內外學者針對鋼帶-錨桿聯合支護體系的支護參數研究主要集中于錨桿及鋼支撐等參數,但是對于各參數的研究主要為單一變量優化[1-2],對影響支護效果因素的研究主要為錨桿的間距和錨桿長度等[3],多參數全面分析主要采用正交試驗設計,有利于最優參數組合的選擇[4]。但對于鋼帶-錨桿聯合支護體系支護參數的多因素研究優化及其在不同級別軟巖隧道中的應用效果還有待進一步研究。

本文將采用正交試驗設計結合數值模擬的方式,針對同一埋深下兩種不同等級的軟巖隧道進行計算分析,快速準確地得到不同圍巖等級下鋼帶-錨桿聯合支護體系在公路隧道中的最優設計參數,為鋼帶-錨桿聯合支護體系應用于實際工程中提供理論依據。

1 計算模型

隧道計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。本次計算區域橫向取120 m、豎向取110 m,隧道縱深方向取60 m,設置隧道埋深為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有限差分軟件進行數值計算,分別采用Beam單元和Cable單元對鋼帶和錨桿進行模擬[5],鋼帶選用W型鋼帶,初噴混凝土采用Shell單元進行模擬,隧道環向、縱向鋼帶及錨桿布置如圖3所示。

圖3 隧道鋼帶-錨桿聯合支護體系構件布置示意圖

通過數值計算可知,影響鋼帶-錨桿聯合支護體系受力的主要因素為錨桿設計長度以及錨桿環向、縱向布置間距,這與馬濤等[6]所得結論基本一致,其中錨桿縱向間距即為鋼帶布置間距。支護體系構件布置如圖3所示。

2 支護參數優化受力研究分析

針對錨桿環向布置間距、錨桿縱向布置間距以及錨桿設計長度進行支護參數優化,基于三個參數設計正交試驗,研究不同支護參數條件共同作用下鋼帶-錨桿聯合支護體系在軟巖隧道中的受力情況。

2.1 Ⅴ級圍巖

針對Ⅴ級圍巖,結合模型計算,設置錨桿環向布置間距分別為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,錨桿設計長度分別為2.5 m、3.0 m、3.5 m。為保證正交試驗的有效性,使用隨機抽取的方式,確定各影響因素的位置,見表1。

表1 Ⅴ級圍巖因素水平表(m)

根據因素和水平數,設計獲得L9(34)正交試驗表,如表2所示。

表2 Ⅴ級圍巖支護參數正交表

基于表2各工況支護參數,進行Ⅴ級圍巖條件下隧道開挖數值計算,并對隧道圍巖豎向位移變化情況進行分析。不同工況條件下,隧道的拱頂沉降量如圖4所示。

(a)工況1

通過對圖4不同工況的拱頂位移情況進行分析可知,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,隧道上臺階周邊圍巖豎向位移數值,繪制圖5。

圖5 Ⅴ級圍巖隧道不同工況下上臺階周邊圍巖豎向位移曲線圖(mm)

由圖5分析可知,在Ⅴ級圍巖隧道施作鋼帶-錨桿聯合支護體系,各工況下上臺階周邊圍巖在拱頂處附近達到最大豎向位移。

根據拱頂沉降數值得到正交試驗結果分析表,如表3所示,其中Ki和ki分別表示該列水平因素為i對應的試驗結果總和以及算術平均值。

表3 Ⅴ級圍巖正交試驗結果分析表

對比分析極差大小,由于RA>RB>RC,證明在Ⅴ級圍巖條件下,對鋼帶-錨桿聯合支護體系隧道拱頂位移影響最大的因素為錨桿環向間距,錨桿長度影響最小。由于本文研究的優化方案目的是減少隧道的拱頂沉降,以拱頂沉降量為評價指標,優化的目的為降低指標,故選擇最小評價指標對應的水平因素組成優化方案。

選擇3個因素列中,Ki對應的最小水平因素,對比可知:

A因素列:K2

B因素列:K1

C因素列:K3

由此確定,優化方案的組成因素為A2、B1、C3,即錨桿環向間距為0.8 m,錨桿縱向間距為0.8 m,錨桿長度為3.5 m。對該支護參數組合進行數值計算,豎向位移結果如圖6所示。

圖6 Ⅴ級圍巖隧道優化方案豎向位移云圖

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

優解方案不在正交表分析中的9個工況中,體現了正交試驗預見性特點的優勢,由此反證了關于鋼帶-錨桿聯合支護體系支護參數的水平因素表的合理性。

2.2 Ⅳ級圍巖

針對Ⅳ級圍巖,結合模型計算和實際工程狀況,隧道錨桿環向布置間距僅設置1.0 m、1.2 m,隧道錨桿縱向布置間距僅設置1.0 m、1.2 m,設置錨桿設計長度為2.5 m、3.0 m。為保證正交試驗的有效性,使用隨機抽取的方式,確定各影響因素的位置,見表4。

表4 Ⅳ級圍巖支護結構因素水平表(m)

根據因素和水平數,設計獲得L4(23)正交試驗表,如表5所示。

表5 Ⅳ級圍巖支護參數正交表

基于表5各工況支護參數,進行Ⅳ級圍巖條件下隧道開挖數值計算,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圖7所示。

(a)工況1

通過對圖7不同工況的拱頂位移情況進行分析可知,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,隧道上臺階周邊圍巖豎向位移數值,繪制圖8。

圖8 Ⅳ級圍巖隧道不同工況上臺階周邊圍巖豎向位移曲線圖(mm)

由圖8分析可知,在Ⅳ級圍巖隧道施作鋼帶-錨桿聯合支護體系,各工況下上臺階周邊圍巖均在拱頂處達到最大豎向位移。

據拱頂沉降數值得到正交試驗結果,如表6所示。

表6 Ⅳ級圍巖正交試驗結果分析表

對比分析極差大小,由于RB>RC=RA,證明在Ⅳ級圍巖條件下,對鋼帶-錨桿聯合支護體系隧道拱頂位移影響最大的因素為錨桿縱向間距,錨桿環向間距影響和錨桿長度影響程度基本一致,均小于錨桿縱向間距。對比3個因素列中,Ki對應的最小水平因素:

A因素列:K2

B因素列:K1

C因素列:K1

由此確定,優化方案的組成因素為A2、B1、C1,即錨桿環向間距為1.0 m,錨桿縱向間距為1.0 m,錨桿長度為3.0 m。對該支護參數組合進行數值計算,豎向位移結果如圖9所示。

圖9 Ⅳ級圍巖隧道優化方案豎向位移云圖

由圖9可知,對支護參數進行優化,隧道施作鋼帶-錨桿聯合支護體系后在拱頂處出現最大豎向位移,拱頂沉降為13.69 mm,小于正交表中的最優解得到的拱頂沉降量。

對兩種圍巖情況進行分析,與Ⅳ級圍巖相比,對Ⅴ級圍巖隧道中進行鋼帶-錨桿聯合支護體系的優化,變形控制效果提升更加明顯,證明鋼帶-錨桿聯合支護體系在圍巖條件差的軟巖隧道中更具適用性。

3 結語

本文針對鋼帶-錨桿聯合支護體系在軟巖公路隧道中應用的適用性問題,結合正交試驗和數值模擬計算,提出了支護參數的優化方案,結論如下:

(1)對于Ⅴ級圍巖隧道,鋼帶-錨桿聯合支護體系中對隧道拱頂沉降影響程度最高的支護參數為錨桿環向間距;在Ⅳ級圍巖隧道中,錨桿縱向間距對支護體系的變形控制效果影響最大。

(2)通過計算分析,Ⅴ級圍巖隧道中,鋼帶-錨桿聯合支護體系選用錨桿環向間距為0.8 m、錨桿縱向間距為0.8 m、錨桿長度為3.5 m支護效果最優,最小拱頂沉降量為16.25 mm;Ⅳ級圍巖隧道支護參數建議選用錨桿環向間距為1.0 m,錨桿縱向間距為1.0 m,錨桿長度為3.0 m,最小拱頂沉降量為13.69 mm。

(3)與Ⅳ級圍巖隧道相比,鋼帶-錨桿聯合支護體系優化后應用于Ⅴ級圍巖隧道中,變形控制能力提升幅度更大。