鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與支護效應(yīng)研究

魏清武，張富明

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250000）

地下隧道工程施工會使周圍巖土體的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，產(chǎn)生洞室變形，如果沒有及時進行有效的支護，就會引起周圍巖土體松動，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)生坍塌。因此，選擇合理的支護方法保證圍巖長期穩(wěn)定十分重要。與此同時，隧道作為大型基礎(chǔ)建設(shè)項目，施工工期漫長，施工成本非常大，如何提高施工效率、降低施工成本已成為眾多學(xué)者關(guān)注的課題。

鋼管與混凝土進行結(jié)合所形成的構(gòu)件是將混凝土填充在鋼管內(nèi)，從而實現(xiàn)約束混凝土的目的；同時，由于混凝土對于外部鋼管具有支撐作用，其穩(wěn)定性也優(yōu)于空鋼管構(gòu)件。目前鋼管混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦巷道中[1-2]，但在隧道工程中的應(yīng)用還很少。將鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)用于隧道工程的支護中，可以減少用鋼量，降低支護成本，增加隧道的使用面積，因此具有很高的應(yīng)用前景[3]。

在此背景下，文章利用有限元分析軟件ABAQUS分析不同支護結(jié)構(gòu)及不同截面形式，討論不同支護結(jié)構(gòu)型式及不同截面形式對鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響，并將其與傳統(tǒng)的支護結(jié)構(gòu)型式進行比較[4-10]。

1 工程概況

案例區(qū)間位于青島市市北區(qū)鞍山路站至錯埠嶺站之間，整體呈東西走向，沿鞍山路、遼陽西路路北一側(cè)布置。區(qū)間線路出鞍山路站后下穿鞍山路小學(xué)、金桂花園、東泰小區(qū)、海泊河后進入錯埠嶺站。區(qū)間YCK8+646.66（ZCK8+647.71）處設(shè)有三號風(fēng)亭。區(qū)間兩端的始發(fā)洞和接收洞采用礦山法，其他地段采用TBM法施工。區(qū)間隧道最大線路縱坡為27.0‰，最小縱坡為0‰，為單向坡隧道，線路基底標(biāo)高-26.15～-21.23m，基底埋深30.75～37.03m。

2 數(shù)值分析方法

2.1 建立模型

結(jié)合工程實際，采用隧道工程中常見的圓形、馬蹄形和直墻拱形三種斷面形式，鋼管混凝土的支護截面形式分別采用方形截面和圓形截面，工字鋼支護選取常用的22a型，分別建模進行ABAQUS模擬對比分析。各模型尺寸特征如表1所示。

為了方便對比分析，三種形式的斷面尺寸近似相同。模型采用混凝土單元和鋼管單元；混凝土及鋼管單元模型均采用C3D8R單元，該單元可以用來模擬較大的網(wǎng)格扭曲，適合大應(yīng)變分析[11]。

表1 模型尺寸

2.2 模型力學(xué)參數(shù)

鋼管采用Q235鋼材，其彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.304；混凝土采用C40，其彈性模量為3.25×104Pa，泊松比為0.2。

對于鋼管塑性，只需定義鋼管在塑性階段的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系?；炷恋乃苄詫傩?，通常采用混凝土損傷模型進行定義。C40混凝土的損傷塑性相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 混凝土損傷塑性參數(shù)

文章采用C40混凝土，按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線參數(shù)取值，得到C40混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 C40混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

同理，對于混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變，按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中混凝土單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線參數(shù)取值，得到C40混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

2.3 加載方案

圖2 C40混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

為模擬混凝土在現(xiàn)實情況中的力學(xué)狀況，在周圍巖土體表面施加壓應(yīng)力，施加方式為將壓力施加給周圍巖體表面，巖體再施加給支護結(jié)構(gòu)。因進行單一變量對比分析，所有模型中對周圍巖土體施加的壓力值應(yīng)保持不變。模型加載方式如圖3所示，對混凝土無支護情況進行三面壓力施加。本研究著重對比分析鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和支護效應(yīng)，因此將周圍巖土體均按彈性介質(zhì)進行簡化模擬。

圖3 模型加載方式示意圖

2.4 分析方法

討論鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)型式與工字鋼支護結(jié)構(gòu)型式在三種不同隧道斷面形式及不同截面的撓度變形及應(yīng)力變化；討論在同一斷面形式下，不同截面支護結(jié)構(gòu)型式撓度變形和應(yīng)力變化。選取3個代表位置特征點拱頂、拱腰及拱腳位置，討論同一截面但不同斷面形式下隧道支護結(jié)構(gòu)型式的撓度值，分析對比在無支護結(jié)構(gòu)與各種支護結(jié)構(gòu)型式下的圍巖最大撓度值，討論各種支護結(jié)構(gòu)型式的力學(xué)性能與支護效應(yīng)。

3 結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

三種斷面形式下的常規(guī)工字鋼支護結(jié)構(gòu)、方形和圓形鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)的Mises分布云圖如圖4～圖5所示。由圖4～圖5可知，對應(yīng)支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布具有以下特點：

（1）應(yīng)力集中位置分布基本相同；（2）選擇3處代表位置拱腳及拱頂兩側(cè)節(jié)點進行應(yīng)力變化分析可知，拱腳位置應(yīng)力大小順序為圓形鋼管混凝土支護＜方形鋼管混凝土支護＜常規(guī)工字鋼支護。

根據(jù)圖4～圖5結(jié)果分析可以得出，不同隧道斷面形式的各種支護結(jié)構(gòu)型式的應(yīng)力集中點基本相同；相對于傳統(tǒng)工字鋼支護，鋼管混凝土支護應(yīng)力更均勻；鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)在關(guān)鍵位置處的應(yīng)力集中值要比傳統(tǒng)工字鋼支護結(jié)構(gòu)??；圓形隧道斷面的受力比其他形式隧道斷面的受力更均勻。

3.2 應(yīng)變分析

圓形隧道斷面常規(guī)工字鋼支護結(jié)構(gòu)、方形鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)和圓形鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)的最大撓度分布云圖如圖6～圖7所示。由圖6～圖7可知，對應(yīng)支護結(jié)構(gòu)最大撓度有以下特點：

圖4 馬蹄形隧道斷面鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖

圖5 直墻拱形隧道斷面鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖

（1）撓度變化趨勢基本相同；（2）選擇3處代表位置點拱頂、拱腰及拱腳相同節(jié)點進行對比分析，可知最大撓度大小關(guān)系為圓形鋼管混凝土支護＜方形鋼管混凝土支護＜常規(guī)工字鋼支護。

根據(jù)圖6～圖7結(jié)果分析可以得出，各種支護結(jié)構(gòu)型式的撓度變化趨勢基本相同，而鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)撓度變形值要遠遠小于傳統(tǒng)工字鋼支護結(jié)構(gòu)；相對于方形鋼管混凝土，圓形支護結(jié)構(gòu)型式的撓度變形值更小，因此圓形支護結(jié)構(gòu)的支護作用比方形的支護作用更強。

3.3 控制點位移分析

選取上述各種混凝土支護結(jié)構(gòu)型式的3處代表位置處拱頂、拱腰及拱腳位置同一位置（如圖8～10所示），討論同種截面結(jié)構(gòu)形式下不同隧道斷面結(jié)構(gòu)形式的撓度變形量，可得到以下結(jié)果。

圖8對比給出了同一截面形式下不同斷面形式在拱頂位置處的變形量，可以看出在拱頂位置，直墻拱形隧道斷面形式的撓度值最小，圓形隧道斷面形式的撓度值最大。

圖9對比給出了同一截面形式下不同斷面形式在拱腰位置處的變形量，可以看出在拱腰位置，圓形隧道斷面形式的撓度值最小，直墻拱形隧道斷面形式的撓度值最大。

圖6 馬蹄形隧道斷面鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布云圖

圖7 直墻拱形隧道斷面鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布云圖

圖8 拱頂位置變形量對比

圖9 拱腰位置變形量對比

圖10 拱腳位置變形量對比

圖10對比給出了同一截面形式下不同斷面形式在拱腳位置處的撓度變化，可以看出在拱腳位置，圓形隧道斷面形式的撓度值最小，直墻拱形斷面形式的撓度值最大。

4 結(jié)論

文章利用ABAQUS大型有限元數(shù)值計算軟件，對不同支護結(jié)構(gòu)型式進行了數(shù)值模擬計算，對數(shù)值模擬結(jié)果進行對比討論。通過分析，所得結(jié)論如下：

（1）相比于傳統(tǒng)支護結(jié)構(gòu)型式，鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)型式承載力高，撓度變形量較小，支護效應(yīng)更好。

（2）圓形截面比方形截面鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)支護受力更合理，支護效果更好。

（3）直墻拱形斷面支護結(jié)構(gòu)型式的鋼管混凝土支護結(jié)構(gòu)型式的支護效應(yīng)更強。