隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究

徐余清

（修水縣交通運(yùn)輸局，江西 修水 332400）

0 引言

對于隧道工程的長期探索研究過程中，發(fā)現(xiàn)對隧道工程的施工方法大致包括明挖法、盾構(gòu)法及礦山法等，在20世紀(jì)50年代新奧法[1]的開挖隧道技術(shù)被提出，此方法是借鑒大量的工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合可靠的隧道設(shè)計理念，在施工監(jiān)測的基礎(chǔ)上，根據(jù)需求改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)及二次襯砌等支護(hù)措施，此外國內(nèi)外學(xué)者對隧道的支護(hù)阻力、圍巖變形與支護(hù)阻力及圍巖與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進(jìn)行大量研究。本文通過分析襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼架支護(hù)結(jié)構(gòu)和錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合有限元軟件對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)

1.1 襯砌的支護(hù)結(jié)構(gòu)

襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種在隧道壁上密貼的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)襯砌與圍巖接觸發(fā)生作用時，通過與松動去巖體的變形來協(xié)調(diào)，近似地可以將襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)看作是一種拱形或者閉合環(huán)形的結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)因?yàn)樽陨硭哂械娜犴g性及整體性，可以很好地改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)[2]，將局部集中的應(yīng)力釋放出來，限制圍巖的變形。

對于襯砌支護(hù)而言，它的主要作用是一種對閉合式整體起支承作用。待支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成之后，襯砌將會對卸載后圍巖的受力重新分配，改變其應(yīng)力狀態(tài)，類似一個帶有剛度的膜，這個膜與隧道壁上的圍巖來共同協(xié)調(diào)變形。對于襯砌所約束的巖體，其變形量的大小主要取決于隧道壁巖層和襯砌之間的相互作用力。對巖體來說，襯砌的支護(hù)可以阻止其發(fā)生位移。

1.2 鋼架的支護(hù)結(jié)構(gòu)

對于鋼架支護(hù)結(jié)構(gòu)而言，它的力學(xué)模型通常為拱形，因此在采用鋼架作為支護(hù)結(jié)構(gòu)時，應(yīng)對巖體進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)的分析、并對鋼架的模型進(jìn)行確定。合理地處理鋼架與隧道壁的接頭以及應(yīng)將鋼架支護(hù)結(jié)構(gòu)與隧道壁巖體有接觸的部位設(shè)置為剛性連接，因?yàn)檫@樣有利于鋼架支護(hù)整個結(jié)構(gòu)的受力。但是在實(shí)際的工程中，通常這種完全的剛性比較難以實(shí)現(xiàn)，因此就會產(chǎn)生縫隙，現(xiàn)今對于這類縫隙通常采用木楔來進(jìn)行填塞，對于鋼架支護(hù)結(jié)構(gòu)所能提供的最大支護(hù)阻力可通過下列式子計算。

式（1）中：Ast：表示鋼架型鋼的截面面積，Ist：表示鋼架型鋼斷面的慣性矩，σst：表示鋼架型鋼的抗壓強(qiáng)度，s：表示隧道縱向方向型鋼的布置間距，h：表示鋼架型鋼的截面高度，ro：表示隧道的半徑，tB：表示墊塊的厚度，θ：表示兩楔塊之間的夾角。

對鋼架支護(hù)結(jié)構(gòu)而言，在支護(hù)的前期具有較高的強(qiáng)度及剛度，能夠有效地控制圍巖的縱向沉降，并且它可以與襯砌配合起來共同作用，可以有效地擴(kuò)寬支護(hù)體系整體的承載范圍；同時還可以配合隧道的斷面進(jìn)行靈活的布置，使施工安全有所保障。

1.3 錨桿的支護(hù)結(jié)構(gòu)

圖1為錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)[3-5]的示意圖。

圖1 錨桿的支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

從上圖中可以發(fā)現(xiàn)，對錨桿支護(hù)而言，錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括三部分，錨桿、錨固體及墊板。其中錨桿是支護(hù)結(jié)構(gòu)的主體部分，它將承受由墊板所傳的應(yīng)力，同時還需要承擔(dān)一部分荷載，對于錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)來說，錨桿是把穩(wěn)定巖體與不穩(wěn)定巖體連接起來，因此錨桿起著至關(guān)重要的作用；而墊板的話主要是起到連接的作用，它主要承受隧道壁上圍巖壓力并將力轉(zhuǎn)給錨桿桿體；而錨固體的話一般是設(shè)置在末端，通過注漿的方法將漿液注入圍巖，起到密實(shí)圍巖的作用，主要承擔(dān)錨桿桿體傳來的作用力。

2 FLAC3D有限元軟件分析

因?yàn)橛嬎銠C(jī)的發(fā)展及有限元軟件的成熟，大多工程都結(jié)合有限元軟件對隧道工程進(jìn)行研究，其中FLAC3D軟件是一款大型的有限元分析軟件，在隧道工程中的研究越來越重要，本文主要通過FLAC3D建立三維隧道模型[6]，并模擬整體模型的開挖及支護(hù)的過程。

2.1 有限元模型的建立

本文以高55m×長65m×寬80m作為山體的模型，而隧道以高5.5m×寬15m為模型進(jìn)行模擬。本次模擬所采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式為錨噴支護(hù)，及在錨桿的基礎(chǔ)上再在隧道壁上噴射混凝土的支護(hù)結(jié)構(gòu)，模型中混凝土采用殼單元進(jìn)行模擬，錨桿采用Cable單元進(jìn)行模擬。因此本次模擬所需設(shè)置的主要參數(shù)見表1所示。

表1 模型參數(shù)表

2.2 模擬結(jié)果分析

此次模擬主要是通過對比分析模擬為主，主要是對比分析隧道在無支護(hù)情況下的應(yīng)力場及采用錨噴支護(hù)形式下的應(yīng)力場，對模型中的應(yīng)力結(jié)果做表格進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示。

表2 應(yīng)力結(jié)果對表

通過表2可以發(fā)現(xiàn)在隧道的頂板和底板處出現(xiàn)最小應(yīng)力值，其中在頂板處的應(yīng)力值約為0.6MPa，底板處的應(yīng)力值約為0.8MPa，之所以出現(xiàn)在頂板及底板處，主要是由于拉應(yīng)力的存在，使得隧道頂板處的圍巖處于不良的工作環(huán)境，此處的巖體在受拉而發(fā)生破壞之后，隧道的表面出現(xiàn)大量的應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致巖體破碎失去承載能力，分析發(fā)現(xiàn)在隧道的墻角處將出現(xiàn)應(yīng)力最大，其值大約為21MPa，在此應(yīng)力下圍巖別壓碎。采用錨桿支護(hù)之后，其最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的應(yīng)力值均明顯減小，其最大主應(yīng)力值大約為15MPa，最小的應(yīng)力值約為0.3MPa，并且整體的應(yīng)力分布較為均勻，并且在底板的板腳處壓應(yīng)力集中現(xiàn)象將會消失。因此通過對比分析可知，對于隧道在頂部拉應(yīng)力集中及底部壓應(yīng)力集中的部位應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)做支護(hù)。

3 結(jié)語

本文基于國內(nèi)外的研究成果，通過分析襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼架支護(hù)結(jié)構(gòu)和錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合FLAC3D有限元軟件對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行研究，通過研究發(fā)現(xiàn)對于隧道有做支護(hù)與沒有做支護(hù)的情況下，其應(yīng)力差比較大，因此對于隧道工程應(yīng)在隧道頂部拉應(yīng)力集中及底部壓應(yīng)力集中的部位應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)做支護(hù)。本文僅對錨噴的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行模擬，對于其他的支護(hù)形式未進(jìn)行詳細(xì)研究，對隧道工程的支護(hù)形式還有待進(jìn)一步進(jìn)行研究。