黃土隧道鎖腳錨管合理寬度分析

黃土隧道鎖腳錨管合理寬度分析

中國的黃土面積約為64萬公里。近年來，黃土地區(qū)快速客運(yùn)線路和公路隧道的建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。黃土隧道在開挖過程中容易存在由于外荷變化和入滲引起的應(yīng)力和濕度分布變化問題,導(dǎo)致開挖隧道過程中黃土的結(jié)構(gòu)性變?nèi)?由此引起隧道安全事故。為了防止出現(xiàn)塌方事故,鎖腳錨管在黃土隧道施工中被廣泛應(yīng)用。黃土隧道中的鎖腳錨管是在隧道上臺階開挖完成架設(shè)鋼拱架后,將其根部固定的工序。鎖腳錨管不同于錨桿,錨桿的主要作用是約束圍巖自身變形,而鎖腳錨管的主要作用是盡可能限制鋼拱架的自由變形,使其及時(shí)承擔(dān)圍巖變形引起的壓力,保證隧道初期的穩(wěn)定性。鋼拱架安裝完成后,如果不進(jìn)行及時(shí)鎖腳,圍巖的變形可能促使鋼拱架發(fā)生剛體位移,從而不利于支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的發(fā)揮。在目前隧道的施工過程中,鎖腳的問題已經(jīng)被多次提出,普遍認(rèn)為鎖腳可以有效減小圍巖變形,提高初期支護(hù)的自穩(wěn)能力,增加自穩(wěn)時(shí)間,減少因下臺階或仰攻開挖造成初期支護(hù)懸空而導(dǎo)致的下沉量。雖然鎖腳錨管在工程施工中被廣泛使用,但是目前并沒有文獻(xiàn)系統(tǒng)揭示鎖腳錨管對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的機(jī)理。本文在對比優(yōu)化鎖腳錨管數(shù)值模擬方法的基礎(chǔ)上,分析它對圍巖變形的影響,定量總結(jié)鎖腳錨管的作用,提出設(shè)計(jì)中考慮鎖腳錨管的思路。1錨定期及其工作特點(diǎn)1.1工程現(xiàn)象的表現(xiàn)在黃土地區(qū)隧道開挖過程中,受擾動(dòng)和含水量增加的影響,黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低,容易發(fā)生坍塌等不良工程現(xiàn)象。為了防止黃土結(jié)構(gòu)變形對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響,防止產(chǎn)生過大沉降,通常采用在支護(hù)結(jié)構(gòu)拱腳水平或斜向打入鋼管,并與支護(hù)結(jié)構(gòu)焊接,這種鋼管稱為鎖腳錨管。鎖腳錨管一般采用直徑為42,89,109mm的無縫熱軋鋼管,下插角度在0°～±30°之間變化。鎖腳錨管如圖1所示。1.2錨管數(shù)值模型建立黃土的圍巖壓力主要是由于開挖卸載、擠壓襯砌及土體變形引起的變形壓力。變形壓力的一部分來自于彈性變形,另外一部分來自于塑性變形。彈性變形是在瞬時(shí)釋放的,且隨著掘進(jìn)逐漸釋放。影響黃土隧道圍巖變形和支護(hù)內(nèi)力的因素很多,一類是地質(zhì)問題,如初始應(yīng)力狀態(tài)、節(jié)理發(fā)育程度、物理力學(xué)性質(zhì)等;另一類問題為工程因素,包括開挖、洞室形狀、襯砌設(shè)置、襯砌材料等。因此要準(zhǔn)確模擬鎖腳錨管與圍巖壓力的關(guān)系比較困難,特別是隧道在開挖支護(hù)過程中的力學(xué)計(jì)算公式的假定、參數(shù)確定及數(shù)值模型的建立,都與一些重要的因素有關(guān),如超欠挖、鎖腳、土性參數(shù)等。鎖腳的作用在于充分發(fā)揮鋼拱架的早期承載力,承擔(dān)圍巖瞬間的彈性變形及圍巖后期的塑性變形,支護(hù)結(jié)構(gòu)把作用力傳遞給鎖腳錨管,因此錨管的插入深度及錨管與土體之間的作用力影響著錨管的作用效果。在數(shù)值分析時(shí),錨管可以用梁單元、桿單元或界面單元模擬。錨管注漿后具有一定的抗拉能力和抗彎能力,梁單元雖然不能模擬界面的剪切特性,但它能夠較合理地反映單元的抗拉、抗彎甚至抗剪特性,在上述三類單元中有較大的優(yōu)勢。目前的關(guān)鍵是確定錨管的計(jì)算方法,如在實(shí)際施工過程中,可能出現(xiàn)以下3種情況:①錨管打入土體較深,錨管與土體之間沒有注入混凝土,錨管兩端沒有約束,錨管將隨著土體一同發(fā)生變形,隨著圍巖壓力的增大,土體出現(xiàn)彈塑性變形,而錨管由于強(qiáng)度較高,始終處于彈性變形階段,此時(shí)錨管的作用如同錨桿作用效果,支護(hù)結(jié)構(gòu)把圍巖壓力傳遞到錨管上。②鎖腳錨管打入土體并且在端部注漿,此時(shí)打入土體的錨管承受著支護(hù)體系傳遞到錨管與混凝土上的作用力,相當(dāng)于一端約束(打入部分A),另外一端自由(B),圍巖壓力發(fā)生變形時(shí),錨管承受著拉伸作用,錨管與土體的作用力很小。③將鎖腳錨管完全深入土體,并注漿封堵。此時(shí)錨管可以看做一個(gè)承受圍巖壓力的鋼梁,它隨著圍巖壓力的變化而變化,這種方法最接近實(shí)際情況。圖2為第三種施工情況下的數(shù)值模擬圖,比較符合實(shí)際情況,A端打入土體內(nèi)部,通過注漿實(shí)現(xiàn)力的傳遞,B端為錨管與支護(hù)結(jié)構(gòu)的連接部分。2錨管結(jié)構(gòu)值的模擬和結(jié)果分析2.1d-p模型及支護(hù)結(jié)構(gòu)采用Plaxis軟件建立三維有限元模型如圖3所示。開挖后土體模型采用彈塑性模型,土體材料的非線性按DP材料處理,使用D-P屈服準(zhǔn)則。支護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu),可以看做理想的彈性材料,模型參數(shù)如表1所示。隧道埋深20m,洞徑10m。軟件模擬隧道的開挖和施工過程,每2.5m一進(jìn)尺。黏聚力c值及彈性模量E值隨著開挖深度發(fā)生變化;鎖腳錨管EA=3.5×106kN,EI=2.8×104kN/m2,摩擦角φ值恒定不變。2.2發(fā)生洞室抗剪破壞黃土隧道在開挖前保持一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,開挖開始后在拱頂出現(xiàn)卸荷及擾動(dòng),如果不及時(shí)支護(hù),土體將不能保持長期的穩(wěn)定,洞室的塌方首先發(fā)生在拱肩或兩側(cè),且隨著應(yīng)力及變形的發(fā)展,發(fā)生脆性剪切破壞。受力良好的鎖角錨管能防止支護(hù)出現(xiàn)滑動(dòng)、變形,進(jìn)而防止由于支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生滑移、變形而導(dǎo)致的圍巖壓力或變形增大的現(xiàn)象。2.3鎖腳錨管注漿對支護(hù)效果的影響鎖腳錨管打入長度及角度影響到圍巖壓力的變化。為了確定不同長度及不同插入角度的錨管對圍巖最佳的約束效應(yīng),在彈塑性模型中分別對比了0(沒有鎖角),1.5,3,4.5m長度的鎖腳錨管。結(jié)果如圖4所示。當(dāng)錨管長度不小于3.0m時(shí),所受的內(nèi)力、豎向及水平位移開始減小,但是在長度為3.0m時(shí)承擔(dān)的彎矩最大,因此鎖腳錨管打入深度為3.0m時(shí)可達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的支撐效果。當(dāng)荷載按照2步、3步、5步、7步、9步法施加時(shí),不同錨管長度的最大內(nèi)力及變形如圖4、5所示。對位移而言,錨管長度越大,變形量越小,2步至3步之間變形較大,此后變形維持不變。從圖4、圖5可以得出如下結(jié)論:(1)鎖腳錨管深入長度直接影響到支護(hù)效果,鎖腳錨管深入越長,變形越小,但長度并非與位移成線性關(guān)系,合理的打入長度能更好地發(fā)揮錨管的作用。(2)鎖腳錨管長度從0(沒有錨管)增加到2m時(shí),雖然承擔(dān)的最大軸力在增加,但是對位移的約束能力并沒有增加,說明鎖腳錨管深入長度較小時(shí),僅僅是承擔(dān)了支護(hù)傳遞的拉力,對洞室的位移影響不大。隨著長度增加,承擔(dān)的軸力、位移減小,說明增加錨管長度不但可以約束支護(hù)的變形也能增加圍巖抵抗變形的能力。(3)當(dāng)鎖腳錨管長度為1.5m時(shí),圍巖的變形比沒有鎖腳時(shí)更大,這對圍巖穩(wěn)定極其不利。變形增大的原因是鎖腳錨管沒有穿透松動(dòng)層,破壞了巖層,不僅沒有約束洞室而且擴(kuò)大了圍巖松動(dòng)圈范圍。(4)在開挖支護(hù)過程中,上臺階支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大位移與荷載步呈雙曲線關(guān)系,最大位移在第一次下臺階開挖過程中迅速釋放,而后逐漸變緩。當(dāng)掌子面遠(yuǎn)離支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí),其位移基本不變。(5)在整個(gè)開挖過程中,鎖腳錨管長度為4.5m時(shí),支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形最小,原因在于長錨管不僅可以約束支護(hù)結(jié)構(gòu)的自由變形,而且起到了加固圍巖的作用。鎖腳錨管長度為1.5m時(shí),支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形最大,原因在于1.5m錨管仍處于圍巖的松動(dòng)區(qū)內(nèi)。當(dāng)鎖腳錨管長度由1.5m向4.5m變化時(shí),支護(hù)結(jié)構(gòu)變形減小的速率在逐漸放緩。(6)當(dāng)插入值為0m時(shí),此時(shí)相當(dāng)于沒有支護(hù)結(jié)構(gòu),隨著開挖進(jìn)行,變形速率初期最大,后期變形趨于穩(wěn)定。錨管長度為1.5m時(shí)的變形量大于沒有錨管的時(shí)候,主要原因是較短的鎖腳錨管不但沒有起到支護(hù)傳遞力的作用,反而對洞室有破壞作用,因此變形量最大。鎖腳錨管對圍巖變形和支護(hù)內(nèi)力的影響比較復(fù)雜,在判斷鎖腳錨管是否有效、合理時(shí),應(yīng)遵循兩條原則:①圍巖的變形是否降低;②支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力是否增大?？梢钥闯?鎖腳錨管是否注漿對圍巖變形和支護(hù)內(nèi)力均有較大的影響。建議在施工中打入鎖腳錨管后,應(yīng)進(jìn)行注漿加固,盡量限制鎖腳錨管的自由變形。2.4不同進(jìn)入角度下的位移鎖腳錨管角度是指錨管與支護(hù)結(jié)構(gòu)法線方向的夾角,見圖6,打入角度對圍巖的變形影響見圖7。鎖腳錨管的角度不同,圍巖的變形規(guī)律亦有較大的差異。鎖腳錨管的打入角度為±15°時(shí),圍巖的總位移和豎向位移最大,水平位移在0°時(shí)最小。從限制圍巖變形角度出發(fā),鎖腳錨管的打入角度不宜取±15°。鎖腳錨管的角度為-30°時(shí),不利于支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的發(fā)揮。開挖過程中,采用不同角度打入鎖腳錨管時(shí),支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移與荷載步的關(guān)系呈雙曲線型,在相應(yīng)的下臺階開挖后,位移釋放最大,隨后逐漸趨于穩(wěn)定。對比不同的打入角度,0°角時(shí)的位移最小,其原因?yàn)?①0°角的鎖腳錨管垂直于鋼拱架根部,有利于鋼拱架內(nèi)力的發(fā)揮;②鎖腳錨管的方向與位移發(fā)生的方向一致,有利于對位移的約束。開挖過程中,打入角度為30°時(shí),最有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的發(fā)揮。因此,在確定打入角度時(shí)要根據(jù)不同的情況確定。在實(shí)際工程中,圍巖的變形可用錨桿來限制,且為了方便施工,鎖腳錨管的打入角度宜取30°。不同角度打入下,圍巖變形規(guī)律和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力不同的原因是:①錨管給支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的抗力不同;②錨管加固圍巖的區(qū)域不同。對于鎖腳的支護(hù)體系,鋼拱架的變形不僅受土層的限制,而且受鎖腳錨管的約束,這是一種既非鉸結(jié),又非完全剛性的固定,屬于一種彈性固定。它不僅可以發(fā)生各個(gè)方向的位移,而且可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。因此,不論在襯砌內(nèi)力還是位移的計(jì)算中,都應(yīng)該考慮拱腳運(yùn)動(dòng)的影響。3最大限度是以藥物為原料隧道工程中,理論解析和數(shù)