隧道鋼拱架支護(hù)受力特征分析

隧道鋼拱架支護(hù)受力特征分析

1隧道鋼拱架模擬的應(yīng)用隨著道路建設(shè)的快速發(fā)展，通往山區(qū)的隧道越來越多。隧道施工的地質(zhì)條件復(fù)雜，影響因素多，導(dǎo)致坍塌變形等隧道災(zāi)害。因此，確定合理的維護(hù)措施和支出參數(shù)是隧道施工中必須解決的重要問題。鋼拱架是隧道支護(hù)的重要結(jié)構(gòu),圍巖荷載由鋼拱架、噴射混凝土等共同承擔(dān)。隧道鋼拱架模擬主要有兩種方法,即等效作用和力學(xué)模型。前者是根據(jù)抗壓剛度相等的原則,把鋼拱架的彈模折算到混凝土上,修改混凝土參數(shù)以替代鋼拱架,該方法簡單,但簡化后不夠精確,與實際情況也不相符;后者是采用梁單元模擬,該方法能比較符合實際的模擬鋼拱架,可以分析不同型號的鋼拱架在不同間距下的受力特征。目前鋼拱架大多是采用等效法模擬,采用梁單元模擬基本也停留在二維階段。筆者以在建的達(dá)(州)-陜(西)高速公路獅子寨隧道為依托,基于勘察資料和設(shè)計資料,采用FLAC2計算模型2.1模型的范圍和范圍考慮隧道開挖的影響范圍,計算范圍取2.2土巖彈塑型破壞準(zhǔn)則該文數(shù)值計算選用摩爾-庫侖模型。摩爾-庫侖彈塑性模型作為一種傳統(tǒng)的彈塑性力學(xué)本構(gòu)模型得到了工程界的廣泛應(yīng)用,該破壞準(zhǔn)則與巖石材料試驗結(jié)果非常接近,其反映的巖土材料破壞特征與材料的實際破壞情況吻合。2.3隧道埋深變形邊界模型四周施加水平位移邊界,頂部應(yīng)力邊界,根據(jù)隧道埋深施加豎向應(yīng)力0.8MPa,底部為固定垂直邊界。在重力條件下計算至初始平衡,模擬原始地層應(yīng)力。2.4支出結(jié)構(gòu)的模擬方法初期支護(hù)和二襯采用實體單元模擬,鋼拱架采用Beam單元模擬,錨桿采用Cable單元模擬。2.5隧道洞身高度隧道圍巖強度參數(shù)參照J(rèn)TG/TD70-2010《公路隧道設(shè)計細(xì)則》表6.4.2-1,隧道洞身段為Ⅳ級圍巖,圍巖強度參數(shù)指標(biāo)見表1,錨桿彈性模量206×102.6計算方案采用FLAC3計算結(jié)果和分析3.1鋼拱架間距及錨桿支護(hù)情況對支護(hù)效果的影響對鋼拱架分別在0.4、0.6、…、1.2m的間距下進(jìn)行了模擬,鋼拱架的內(nèi)力圖如圖1～6所示,由于篇幅有限,只列出拱架間距0.6、0.8m的內(nèi)力圖和變形圖。從圖1～6可以看出:鋼拱架受力規(guī)律大致相同,頂部和底部受力相對較小,最大軸力在拱腰處,彎矩和剪力最大值均在拱腳處。鋼拱架兩側(cè)變形相對較小,頂部和底部的變形較大,最大變形發(fā)生在拱頂,與圍巖協(xié)調(diào)變形,0.6m間距相比0.8m間距下的鋼拱架頂部變形減小1.3mm,減少了9.9%。鋼拱架軸力監(jiān)測曲線如圖7所示,鋼拱架支護(hù)后,圍巖變形作用在鋼拱架上,拱腳和邊墻處的鋼拱架立即開始承受圍巖壓力,邊墻鋼拱架軸力呈直線增加,拱腳鋼拱架軸力呈拋物線增加。而拱頂鋼拱架受頂部圍巖豎向荷載作用,剛開始受拉,后來由于兩側(cè)圍巖卸荷回彈,逐漸轉(zhuǎn)成受壓,軸力呈直線增加,一段時間后同時趨于穩(wěn)定。表2為隧道在不同鋼拱架間距下的模擬結(jié)果。從表2可以看出,鋼拱架間距每減小0.2m,鋼拱架最大軸力減少118～171kN,拱架最大彎矩減少0.17～4.57kN·m,且鋼拱架間距越小,軸力、彎矩變化越明顯。而錨桿軸力變化不大,在10.6～12.0kN之間,比較6和7兩種支護(hù)方式,鋼拱架在無錨桿支護(hù)下最大軸力753kN,彎矩50.7kN·m,比有錨桿支護(hù)僅增大了2.1kN和0.08kN·m,因此鋼拱架是初期支護(hù)中主要的受力結(jié)構(gòu)。鋼拱架抗壓承載力設(shè)計值為902.7kN,彎矩為55.5kN·m,剪力為520.2kN,因此當(dāng)拱架間距在0.8m以下時,均滿足承載力要求。3.2圍巖支護(hù)效果分析如表2所示,在無支護(hù)的情況下,拱頂位移29.46mm,拱底位移26.26mm,鋼拱架間距每減小0.2m,拱頂位移減少0.75～1.39mm,拱底位移減少0.77～1.64mm,鋼拱架間距越小,位移變化越明顯。比較6和7兩種支護(hù)方式,拱頂和拱底在無錨桿支護(hù)下最大位移分別是11.96和22.97mm,比有錨桿支護(hù)僅增大了0.04和0.02mm,說明錨桿支護(hù)效果不明顯,對控制圍巖變形的作用低。隧道開挖后,圍巖應(yīng)力重分布且引起應(yīng)力集中現(xiàn)象,造成圍巖出現(xiàn)過大的塑性變形而破壞。圍巖塑性屈服區(qū)分布見圖8所示?？梢钥闯鏊淼乐ёo(hù)明顯減少了拱頂和邊墻圍巖塑性區(qū)范圍,同時在減小鋼拱架支護(hù)間距的同時,圍巖塑性區(qū)也在減小。在拱頂兩側(cè)圍巖主要呈現(xiàn)剪切破壞,拱底中間呈拉破壞。4拱頂鋼拱架間距(1)通過鋼拱架的三維模擬,拱腰處鋼拱架軸力最大,拱腳處彎矩和剪力最大。隧道開挖后,拱腳和邊墻鋼拱架立即開始承受圍巖壓力,邊墻鋼拱架軸力呈直線增加,拱腳鋼拱架軸力呈拋物線增加。拱頂鋼拱架軸力由受拉逐漸轉(zhuǎn)成受壓,以后軸力也呈直線增加。一段時間后同時趨于穩(wěn)定。(2)鋼拱架為主要的受力結(jié)構(gòu),對控制圍巖變形效果明顯,并且間距越小,效果越明顯。對Ⅳ級圍巖來說,當(dāng)拱架間距在0.8m以下時,滿足鋼拱架的承載力要求和圍巖的穩(wěn)定性要求,因此,鋼拱架間距0.8m為最優(yōu)間距。(3)錨桿的