钢管混凝土支护结构力学性能与支护效应研究

魏清武，张富明

（中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东 济南 250000）

地下隧道工程施工会使周围岩土体的应力平衡状态被打破，产生洞室变形，如果没有及时进行有效的支护，就会引起周围岩土体松动，严重时甚至会发生坍塌。因此，选择合理的支护方法保证围岩长期稳定十分重要。与此同时，隧道作为大型基础建设项目，施工工期漫长，施工成本非常大，如何提高施工效率、降低施工成本已成为众多学者关注的课题。

钢管与混凝土进行结合所形成的构件是将混凝土填充在钢管内，从而实现约束混凝土的目的；同时，由于混凝土对于外部钢管具有支撑作用，其稳定性也优于空钢管构件。目前钢管混凝土结构已经广泛应用于煤矿巷道中[1-2]，但在隧道工程中的应用还很少。将钢管混凝土支护结构用于隧道工程的支护中，可以减少用钢量，降低支护成本，增加隧道的使用面积，因此具有很高的应用前景[3]。

在此背景下，文章利用有限元分析软件ABAQUS分析不同支护结构及不同截面形式，讨论不同支护结构型式及不同截面形式对钢管混凝土支护结构的力学性能影响，并将其与传统的支护结构型式进行比较[4-10]。

1 工程概况

案例区间位于青岛市市北区鞍山路站至错埠岭站之间，整体呈东西走向，沿鞍山路、辽阳西路路北一侧布置。区间线路出鞍山路站后下穿鞍山路小学、金桂花园、东泰小区、海泊河后进入错埠岭站。区间YCK8+646.66（ZCK8+647.71）处设有三号风亭。区间两端的始发洞和接收洞采用矿山法，其他地段采用TBM法施工。区间隧道最大线路纵坡为27.0‰，最小纵坡为0‰，为单向坡隧道，线路基底标高-26.15～-21.23m，基底埋深30.75～37.03m。

2 数值分析方法

2.1 建立模型

结合工程实际，采用隧道工程中常见的圆形、马蹄形和直墙拱形三种断面形式，钢管混凝土的支护截面形式分别采用方形截面和圆形截面，工字钢支护选取常用的22a型，分别建模进行ABAQUS模拟对比分析。各模型尺寸特征如表1所示。

为了方便对比分析，三种形式的断面尺寸近似相同。模型采用混凝土单元和钢管单元；混凝土及钢管单元模型均采用C3D8R单元，该单元可以用来模拟较大的网格扭曲，适合大应变分析[11]。

表1 模型尺寸

2.2 模型力学参数

钢管采用Q235钢材，其弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.304；混凝土采用C40，其弹性模量为3.25×104Pa，泊松比为0.2。

对于钢管塑性，只需定义钢管在塑性阶段的应力－应变关系。混凝土的塑性属性，通常采用混凝土损伤模型进行定义。C40混凝土的损伤塑性相关参数如表2所示。

表2 混凝土损伤塑性参数

文章采用C40混凝土，按照混凝土结构设计规范中混凝土单轴受压应力-应变曲线参数取值，得到C40混凝土受压应力-应变曲线如图1所示。

图1 C40混凝土受压应力-应变关系

同理，对于混凝土受拉应力-应变，按照混凝土结构设计规范中混凝土单轴受拉应力-应变曲线参数取值，得到C40混凝土受拉应力-应变曲线如图2所示。

2.3 加载方案

图2 C40混凝土受拉应力-应变关系

为模拟混凝土在现实情况中的力学状况，在周围岩土体表面施加压应力，施加方式为将压力施加给周围岩体表面，岩体再施加给支护结构。因进行单一变量对比分析，所有模型中对周围岩土体施加的压力值应保持不变。模型加载方式如图3所示，对混凝土无支护情况进行三面压力施加。本研究着重对比分析钢管混凝土支护结构力学性能和支护效应，因此将周围岩土体均按弹性介质进行简化模拟。

图3 模型加载方式示意图

2.4 分析方法

讨论钢管混凝土支护结构型式与工字钢支护结构型式在三种不同隧道断面形式及不同截面的挠度变形及应力变化；讨论在同一断面形式下，不同截面支护结构型式挠度变形和应力变化。选取3个代表位置特征点拱顶、拱腰及拱脚位置，讨论同一截面但不同断面形式下隧道支护结构型式的挠度值，分析对比在无支护结构与各种支护结构型式下的围岩最大挠度值，讨论各种支护结构型式的力学性能与支护效应。

3 结果分析

3.1 应力分析

三种断面形式下的常规工字钢支护结构、方形和圆形钢管混凝土支护结构的Mises分布云图如图4～图5所示。由图4～图5可知，对应支护结构应力分布具有以下特点：

（1）应力集中位置分布基本相同；（2）选择3处代表位置拱脚及拱顶两侧节点进行应力变化分析可知，拱脚位置应力大小顺序为圆形钢管混凝土支护＜方形钢管混凝土支护＜常规工字钢支护。

根据图4～图5结果分析可以得出，不同隧道断面形式的各种支护结构型式的应力集中点基本相同；相对于传统工字钢支护，钢管混凝土支护应力更均匀；钢管混凝土支护结构在关键位置处的应力集中值要比传统工字钢支护结构小；圆形隧道断面的受力比其他形式隧道断面的受力更均匀。

3.2 应变分析

圆形隧道断面常规工字钢支护结构、方形钢管混凝土支护结构和圆形钢管混凝土支护结构的最大挠度分布云图如图6～图7所示。由图6～图7可知，对应支护结构最大挠度有以下特点：

图4 马蹄形隧道断面钢管混凝土支护结构的应力分布云图

图5 直墙拱形隧道断面钢管混凝土支护结构的应力分布云图

（1）挠度变化趋势基本相同；（2）选择3处代表位置点拱顶、拱腰及拱脚相同节点进行对比分析，可知最大挠度大小关系为圆形钢管混凝土支护＜方形钢管混凝土支护＜常规工字钢支护。

根据图6～图7结果分析可以得出，各种支护结构型式的挠度变化趋势基本相同，而钢管混凝土支护结构挠度变形值要远远小于传统工字钢支护结构；相对于方形钢管混凝土，圆形支护结构型式的挠度变形值更小，因此圆形支护结构的支护作用比方形的支护作用更强。

3.3 控制点位移分析

选取上述各种混凝土支护结构型式的3处代表位置处拱顶、拱腰及拱脚位置同一位置（如图8～10所示），讨论同种截面结构形式下不同隧道断面结构形式的挠度变形量，可得到以下结果。

图8对比给出了同一截面形式下不同断面形式在拱顶位置处的变形量，可以看出在拱顶位置，直墙拱形隧道断面形式的挠度值最小，圆形隧道断面形式的挠度值最大。

图9对比给出了同一截面形式下不同断面形式在拱腰位置处的变形量，可以看出在拱腰位置，圆形隧道断面形式的挠度值最小，直墙拱形隧道断面形式的挠度值最大。

图6 马蹄形隧道断面钢管混凝土支护结构的应变分布云图

图7 直墙拱形隧道断面钢管混凝土支护结构的应变分布云图

图8 拱顶位置变形量对比

图9 拱腰位置变形量对比

图10 拱脚位置变形量对比

图10对比给出了同一截面形式下不同断面形式在拱脚位置处的挠度变化，可以看出在拱脚位置，圆形隧道断面形式的挠度值最小，直墙拱形断面形式的挠度值最大。

4 结论

文章利用ABAQUS大型有限元数值计算软件，对不同支护结构型式进行了数值模拟计算，对数值模拟结果进行对比讨论。通过分析，所得结论如下：

（1）相比于传统支护结构型式，钢管混凝土支护结构型式承载力高，挠度变形量较小，支护效应更好。

（2）圆形截面比方形截面钢管混凝土支护结构支护受力更合理，支护效果更好。

（3）直墙拱形断面支护结构型式的钢管混凝土支护结构型式的支护效应更强。