深埋隧道杆系支护结构受力特性数值分析

秦 世 华

(运城至灵宝高速公路建设管理处,山西 运城 044000)

深埋隧道杆系支护结构受力特性数值分析

秦 世 华

(运城至灵宝高速公路建设管理处,山西 运城 044000)

依托中条山特长公路隧道工程，采用有限差分软件FLAC3D，以深埋段为研究对象，对各工况(有无锁脚锚杆、有无超前导管)围岩变形及支护结构受力进行了分析，研究结果表明：锁脚锚杆的设置对拱顶沉降及收敛位移的控制有明显作用；超前导管设置与否对围岩变形以及支护结构受力基本无影响，但能提高掌子面前方土体稳定性。

深埋隧道，锁脚锚杆，超前导管，变形，受力

0 引言

隧道杆系支护结构(锚杆、超前导管等)在调整结构受力及控制地层变形等方面有显著作用。其中，隧道中的锁脚锚杆主要是防止拱脚收缩或掉拱。进行分步开挖时，在上一开挖步开挖支护完成，下一开挖步开挖前，采用在已施作拱架连接处两侧斜向下打入锚杆。锚杆即可起到稳定悬臂梁的作用，给上部结构支撑作用，同时锚固在岩土体中锚杆与拱架联合作用，可抑制水平收敛。

超前导管是隧道工程掘进施工过程中的一种工艺方法，主要用于自稳时间短的软弱破碎带、浅埋段、洞口偏压段等地段的预支护。其主要作用是对围岩进行加固，保证工作面前方土体的稳定性。

国内学者罗彦斌等[1]以包茂线西康高速公路包家山特长公路隧道为依托，采用现场试验和理论推导方法，建立了钢架和锁脚锚杆力学计算模型，并给出了锁脚锚杆弯矩分布图。徐晨[2]、张涛[3]采用数值模拟方法分析了锁脚锚杆(管)在不同打设角度、不同长度、不同数量等方面对隧道周边围岩变形的影响，并通过现场试验对锁脚锚杆作用进行了验证。黄明琦[4]依托厦门海底隧道，建立了锁脚锚杆力学分析模型，系统地研究了软弱破碎围岩地段锁脚锚杆受力和变形规律。姜军[5]针对达陕高速公路金竹山隧道中超前小导管长度过短带来的问题，研究了一种快速便捷、安全可靠的超长超前支护施工的方法。张国荣等[6]根据超前导管注浆工艺的原理，结合工程实例将超前导管高压注浆技术应用于不良地质缺陷处置。李东勇等[7]采用数值模拟方法，研究了不同超前导管注浆范围对围岩变形的影响规律。

本文以中条山特长公路隧道深埋围岩段为研究对象，采用有限差分模拟方法，对不同工况下锁脚锚杆、超前导管的功效及受力特性进行分析。

1 工程概况

中条山隧道最大埋深约540 m。该段地层主要由太古界涑水群表壳岩组合解州片麻岩(Hgn)地层组成，此段组成隧道的围岩岩性主要为花岗片麻岩、变粒岩等。岩层产状整体倾向南东，倾角介于50°～70°之间。该段地层岩性复杂，组合无规律，构成中条山隧道分水岭北侧的主体。

由于该段围岩软弱破碎，故采用SVc型加强型复合式衬砌，超前支护各环采用φ42，4 mm厚注浆小导管，长4.5 m，搭接长度1.3 m，环向间距35 cm，斜插角10°～15°。钢拱架为Ⅰ20a型钢拱架，纵向间距0.75 m，环形间距1.0 m。锁脚锚杆采用φ22螺纹钢，长3.5 m，在中台阶拱脚、下台阶边墙脚各打设2根；C25喷射混凝土厚度26 cm。二次衬砌和仰拱C30钢筋混凝土厚度50 cm。

2 数值模型

采用大型有限差分软件FLAC3D进行建模分析。为简便计算，采用1/2模型计算，计算范围为60 m×60 m×140 m(X×Y×Z)。模型中围岩均采用摩尔库仑材料，初支喷射混凝土为线弹性体，采用梁单元模拟；锁脚锚杆和超前导管均采用桩单元模拟；二衬和仰拱混凝土均采用壳单元模拟。初期支护钢拱架和钢筋网片支护效果采用等效方法，将两者弹性模量折算给混凝土[8,9]，材料及支护结构力学参数见表1。

支护结构平面布置图如图1所示，计算模型如图2所示。

图1中，超前注浆小导管沿环向布置37根。锁脚锚杆分别在两侧拱脚和边墙脚设置2根，共计8根。

为揭示锁脚锚杆、超前导管的作用效能，本文对有无锁脚锚杆、有无超前导管共计3个工况进行了对比分析，各工况支护结构设置如表2所示。

3 数值模拟结果分析及方案比选

表2 计算工况

为揭示隧道杆系支护结构的功效及受力特性，下面对不同工况下典型断面围岩变形和支护结构受力进行对比分析。

3.1 锁脚锚杆效果分析

为揭示锁脚锚杆的作用效能，选取工况一和工况三，工况一不设置锁脚锚杆，工况三设置锁脚锚杆。开挖至典型断面时，两种工况下典型断面处拱顶沉降、收敛位移与开挖步关系曲线如图3，图4所示。

从图3，图4可看出，锁脚锚杆的设置对拱顶沉降及收敛位移的控制有明显作用。从图3可看出，设置锁脚锚杆后，待开挖完毕之后，拱顶沉降比未设置时减小了约21.5%，从图4可看出，设置锁脚锚杆后，待开挖完毕之后，收敛位移比未设置时减小了约12.5%。这说明，锁脚锚杆的设置，既能起到边墙锚杆的作用，又能有效约束左右侧围岩向隧道内变形，对上部衬砌结构起支撑作用。

3.2 超前导管效果分析

选取工况二和工况三，工况二不设置超前导管，工况三设置超前导管。通过对各工况塑性区分布分析，可以看出，设置超前导管后，掌子面处的破坏区域分布明显比未设置超前导管时小。由此推断超前导管的设置有利于掌子面的稳定。

采用两种工法开挖完毕直至稳定后，初衬、超前导管以及锚杆受力情况如表3所示。

表3 支护受力表

表3显示，超前导管与锁脚锚杆以及系统锚杆的作用机理不同，其最大轴力表现为压应力。其主要作用是对围岩进行加固，保证工作面前方土体稳定性。超前导管设置与否对支护结构受力基本无影响。

4 结语

通过对不同工况(有无锁脚锚杆、有无超前导管)围岩变形及支护结构受力进行数值分析，得出以下结论：

1)锁脚锚杆的设置对拱顶沉降及收敛位移的控制有明显作用。既能有效约束左右侧围岩向隧道内变形，起到边墙锚杆的作用，又能对上部衬砌结构起支撑作用，在本例中，由于锁脚锚杆承受拉应力作用，故其主要抑制围岩向隧道内变形。

2)超前导管设置与否对围岩变形以及支护结构受力基本无影响，但其能对围岩进行加固，保证工作面前方土体稳定性。

[1] 罗彦斌,陈建勋.软弱围岩隧道锁脚锚杆受力特性及其力学计算模型[J].岩土工程学报,2013,35(8):1519-1525.

[2] 徐 晨.软弱围岩隧道中锁脚锚杆支护效果研究[D].西安:长安大学,2010.

[3] 张 涛.软弱围岩隧道锁脚锚杆(管)支护特性研究[D].西安:长安大学,2011.

[4] 黄明琦.锁脚锚杆作用机理及其在厦门翔安隧道中的应用研究[J].铁道建筑技术,2009(7):86-89.

[5] 姜 军.软弱围岩隧道的超长超前导管施工技术[J].价值工程,2012(34):126-127.

[6] 张国荣,古 军.超前导管高压注浆技术在隧道不良地质段塌方处理中的应用[J].价值工程,2012(6):97-98.

[7] 李东勇,徐祯祥,侯庆华.暗挖隧道超前导管注浆对地层位移影响规律的研究[J].铁道建筑,2007(8):34-37.

[8] JTG D70—2004,公路隧道设计规范[S].

[9] 王石春.隧道工程岩体分级[M].成都:西南交通大学出版社,2007.

Numerical analysis of framed support structure of deep buried tunnel

Qin Shihua

(Yuncheng-LingbaoExpresswayConstructionManagement,Yuncheng044000，China)

Based on Zhongtiaoshan extra-long highway tunnel engineering, applying finite difference software FLAC3D, taking deep buried tunnel section as the research target, the paper analyzes surround rock deformation with and without feet-lock bolt and advanced conduit and bearing structure stress. Research results show that: setting foot-lock bolt has obvious role for controlling top arch subsidence and convergence displacement, whether setting advanced conduit or not has no impact for surrounding rock deformation and bearing structure stress, but can improve soil stability of working face.

deep buried tunnel, foot-lock bolt, advanced conduit, deformation, stress

2015-01-17

秦世华(1966- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)09-0166-02

TU457

A