半明半暗连拱隧道锚杆施工力学分析

张 忠,莫海军,覃 宇

(1.湖南利联安邵高速公路开发有限公司,湖南 娄底 417000;2.珠海市电力建设工程有限公司,广东 珠海 519000)

目前,随着锚杆支护技术在岩土工程的广泛应用,人们对锚杆的作用机理了解不断深入[1]、[2]。但是,在实际工程中锚杆支护是很多锚杆组成的锚杆群一起共同工作,因此锚杆群的工作特点与单根锚杆会有所不同;并且,锚杆的受力是随着处于隧道位置不同而变化较大。但是现今设计往往并不区别对待,结果导致大多数部位的锚杆设计偏于保守,而个别部位可能出现不足。

为了了解锚杆群在半明半暗连拱隧道中的工作特点,本文以某市的半明半暗连拱隧道为工程背景,利用有限差分对其施工方法进行模拟,进而对锚杆群的受力特点进行研究,以便对其不同部位受力机理更充分的认识。

1 工程概况

2 施工过程的数值模拟

2.1 计算模型

图1 半明半暗隧道结构图

依照地质资料以及设计中连拱隧道断面的相关尺寸建立平面模型:计算模型的宽度为 100m;竖直方向向上取到地表,向下以隧道拱底为基准往下再取 30m。计算时所施加的边界约束条件是:地表为自由边界,未受任何约束;计算模型的左右边界分别受到水平方向的位移约束,下部边界受到垂直方向的位移约束。计算模型网格划分如图 2所示。根据分析问题的特点 ,围岩采用 Drucke-Plrager屈服准则,初始应力仅考虑自重应力,隧道初期支护考虑锚杆、喷射混凝土以及钢拱架的作用。围岩采用实体单元,锚杆采用锚索单元,初期支衬用壳体单元、二次衬砌采用实体单元。

图2 半明半暗隧道网格划分

2.2 围岩计算参数

围岩所选取的计算参数多数是根据隧道的勘测报告确定的,参数不全的部分由《公路隧道设计规范》选取的,锚杆和混凝土衬砌具体几何参数为实际设计数值,中隔墙为钢筋混凝土材料,按照塑性材料处理,具体详见表1。

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2.3 模拟过程

隧道三维开挖过程与平面的有所不同,具体施工步骤划分见图 3。

步骤 1:中导洞开挖 3m,然后施作 3m的初期支护,重复以上过程直至中导洞贯通;

步骤 2:中隔墙一次性浇筑;

步骤 3:右导洞开挖 3m,然后施作 3m的初期支护,直至右导洞贯通;

步骤 4:右侧暗洞上台阶向前开挖3m及施作初期支护,直至上台阶贯通;

步骤 5:右侧暗洞下台阶向前开挖3m及施作初期支护,直至下台阶贯通;

图8中，左侧为货位随机分配示例图，右侧为EMBBO算法货位分配优化示例图；图中不同颜色立方体分别代表A,B,C,D 4种货物，对比两种货位分配方案，右侧货架重心明显降低，高出/入库频率货物(C类、D类货物)放置于距离出/入库台近的位置，满足存储效率优先原则、结构稳定性原则，货位分配布局更为合理。

步骤 6:右侧暗洞一次性施作二次衬砌;

步骤 7:左侧明洞一次开挖完成;

步骤 8:左侧明洞二次衬砌一次施作;

步骤 9:左侧明洞洞顶回填。

图3 隧道开挖顺序

3 计算结果及分析

3.1 计算结果

图4 中导洞开挖后

图5 右主洞上台阶开挖后

图6 左主洞开挖后

图7 左主洞洞顶回填后

根据隧道的结构特点把锚杆分为拱顶、拱腰、拱脚、墙腰、墙脚等五个部分来分析,划分边界是根据隧道设计的不同曲线来分割的。

(1)中导洞开挖后,其周边围岩中的锚杆全部受拉力,在中导洞底部的锚杆群出现最大拉力,其值为 0.92 kN(图4)。

(2)右侧暗洞上台阶开挖后,在右侧暗洞岩体中的锚杆全部受拉力,在靠近左拱脚侧的锚杆群拉力较大,最大拉力值为 5.86 kN;右拱脚侧锚杆群受力次之,其它部位的拉力较小;而中隔墙的顶部、底部岩体中的锚杆则出现比较小的压力(图5)。

(3)左侧明洞开挖后,右侧暗洞在左拱脚侧的锚杆拉力值进一步增加,而拱顶、拱脚部位锚杆的拉力有所减少,最大拉力值为 6.86 kN;中隔墙顶部、底部岩体中的锚杆还是以受压为主,但压力有所增加(图 6)。

(4)左侧明洞洞顶回填完成后,右侧暗洞部分岩体中的锚杆拉力值有所减少,甚至个别的出现压应力;其中在右侧暗洞左拱脚部位的锚杆拉力最大,值为 6.72 kN;中隔墙顶部、底部岩体中的锚杆压力进一步增加但增加不是很多(图7)。

3.2 分析

通过数值分析方法对某半明半暗连拱隧道的施工方法进行模拟,和对锚杆群的受力特征进行分析,得出如下结论。

(1)在右侧暗洞左、右拱脚部位的锚杆群受力较大,特别是左拱脚的部位;因此在此处的锚杆群发挥的作用比较完全,对设计来讲是关键部位、对施工来讲是重点。

(2)在右侧暗洞拱顶部位的较小,甚至出现压力;因此表明锚杆的作用没有充分发挥出来,在此处有没有锚杆关系不大。

(3)在右侧暗洞墙腰部位锚杆的受力居中,设计偏于保守,可以适当减少锚杆的数量。

4 结束语

从理论分析看,因为半明半暗连拱隧道埋深较浅,本文针对模拟的隧道最大埋深只有 16m,地面倾角为 31°,因此岩体主要受自重荷载。虽然隧道受大偏压,但是荷载较小。因此在开挖后,在暗洞拱腰侧的围岩受力较大,其它部位较小,进而可以考虑根据围岩不同部位的受力特点适当的调整锚杆的数量以做到经济合理。

[1]方勇,何川.全长粘结式锚杆与隧道围岩相互作用研究[J].工程力学,2007(6):111-116

[2]杨双锁,张百胜.锚杆对岩土体作用的力学本质[J].岩体力学,2003(10):279-282

[3]秦爱新.全长锚杆支护力学分析[J].河北煤炭,2001(1):1-2

[4]曾华明,李祺,岳向红.张拉荷载下锚杆锚固岩石锚杆的力学分析[J].岩石力学与工程学报,2006(10):3982-3986