钢带-锚杆联合支护体系在软岩隧道中的支护参数优化研究

冯建辉,杨仕恒,姜洪亮,3,4,熊春发,3,4

(1.广西壮族自治区公路隧道安全预警研究中心,广西 南宁 530007;2.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007;3.广西道路结构与材料重点实验室,广西 南宁 530007;4.高等级公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心,广西 南宁 530007)

0 引言

钢带-锚杆联合支护体系作为支护方式,多用于矿井巷道中等小断面隧道中,由于其柔性支护的特性,在软岩条件的公路隧道中具备适用性。因钢带-锚杆联合支护体系的主要设计参数较多,在应用于公路隧道时,应确定合适的设计参数,以保证其能对软弱围岩进行有效支护。因此,对钢带-锚杆联合支护体系的支护参数进行优化研究具有重要的工程意义。

目前,国内外学者针对钢带-锚杆联合支护体系的支护参数研究主要集中于锚杆及钢支撑等参数,但是对于各参数的研究主要为单一变量优化[1-2],对影响支护效果因素的研究主要为锚杆的间距和锚杆长度等[3],多参数全面分析主要采用正交试验设计,有利于最优参数组合的选择[4]。但对于钢带-锚杆联合支护体系支护参数的多因素研究优化及其在不同级别软岩隧道中的应用效果还有待进一步研究。

本文将采用正交试验设计结合数值模拟的方式,针对同一埋深下两种不同等级的软岩隧道进行计算分析,快速准确地得到不同围岩等级下钢带-锚杆联合支护体系在公路隧道中的最优设计参数,为钢带-锚杆联合支护体系应用于实际工程中提供理论依据。

1 计算模型

隧道计算模型断面尺寸如图1所示,其中,隧道宽为12.44 m,高为10.04 m。本次计算区域横向取120 m、竖向取110 m,隧道纵深方向取60 m,设置隧道埋深为100 m,如图2所示。

图1 隧道断面尺寸图(cm)

图2 模型尺寸图(m)

使用FLAC 3D有限差分软件进行数值计算,分别采用Beam单元和Cable单元对钢带和锚杆进行模拟[5],钢带选用W型钢带,初喷混凝土采用Shell单元进行模拟,隧道环向、纵向钢带及锚杆布置如图3所示。

图3 隧道钢带-锚杆联合支护体系构件布置示意图

通过数值计算可知,影响钢带-锚杆联合支护体系受力的主要因素为锚杆设计长度以及锚杆环向、纵向布置间距,这与马涛等[6]所得结论基本一致,其中锚杆纵向间距即为钢带布置间距。支护体系构件布置如图3所示。

2 支护参数优化受力研究分析

针对锚杆环向布置间距、锚杆纵向布置间距以及锚杆设计长度进行支护参数优化,基于三个参数设计正交试验,研究不同支护参数条件共同作用下钢带-锚杆联合支护体系在软岩隧道中的受力情况。

2.1 Ⅴ级围岩

针对Ⅴ级围岩,结合模型计算,设置锚杆环向布置间距分别为0.8 m、1.0 m、1.2 m,锚杆纵向布置间距分别为0.8 m、1.0 m、1.2 m,锚杆设计长度分别为2.5 m、3.0 m、3.5 m。为保证正交试验的有效性,使用随机抽取的方式,确定各影响因素的位置,见表1。

表1 Ⅴ级围岩因素水平表(m)

根据因素和水平数,设计获得L9(34)正交试验表,如表2所示。

表2 Ⅴ级围岩支护参数正交表

基于表2各工况支护参数,进行Ⅴ级围岩条件下隧道开挖数值计算,并对隧道围岩竖向位移变化情况进行分析。不同工况条件下,隧道的拱顶沉降量如图4所示。

(a)工况1

通过对图4不同工况的拱顶位移情况进行分析可知,工况5条件下,隧道的拱顶沉降最小,为16.39 mm;工况7的拱顶沉降最大,均为16.66 mm。提取各工况条件下,隧道上台阶周边围岩竖向位移数值,绘制图5。

图5 Ⅴ级围岩隧道不同工况下上台阶周边围岩竖向位移曲线图(mm)

由图5分析可知,在Ⅴ级围岩隧道施作钢带-锚杆联合支护体系,各工况下上台阶周边围岩在拱顶处附近达到最大竖向位移。

根据拱顶沉降数值得到正交试验结果分析表,如表3所示,其中Ki和ki分别表示该列水平因素为i对应的试验结果总和以及算术平均值。

表3 Ⅴ级围岩正交试验结果分析表

对比分析极差大小,由于RA>RB>RC,证明在Ⅴ级围岩条件下,对钢带-锚杆联合支护体系隧道拱顶位移影响最大的因素为锚杆环向间距,锚杆长度影响最小。由于本文研究的优化方案目的是减少隧道的拱顶沉降,以拱顶沉降量为评价指标,优化的目的为降低指标,故选择最小评价指标对应的水平因素组成优化方案。

选择3个因素列中,Ki对应的最小水平因素,对比可知:

A因素列:K2

B因素列:K1

C因素列:K3

由此确定,优化方案的组成因素为A2、B1、C3,即锚杆环向间距为0.8 m,锚杆纵向间距为0.8 m,锚杆长度为3.5 m。对该支护参数组合进行数值计算,竖向位移结果如图6所示。

图6 Ⅴ级围岩隧道优化方案竖向位移云图

隧道施作优化后的钢带-锚杆联合支护体系,在拱顶处出现最大竖向位移,拱顶沉降为16.25 mm,小于正交表中的最优解工况5得到的拱顶沉降量。

优解方案不在正交表分析中的9个工况中,体现了正交试验预见性特点的优势,由此反证了关于钢带-锚杆联合支护体系支护参数的水平因素表的合理性。

2.2 Ⅳ级围岩

针对Ⅳ级围岩,结合模型计算和实际工程状况,隧道锚杆环向布置间距仅设置1.0 m、1.2 m,隧道锚杆纵向布置间距仅设置1.0 m、1.2 m,设置锚杆设计长度为2.5 m、3.0 m。为保证正交试验的有效性,使用随机抽取的方式,确定各影响因素的位置,见表4。

表4 Ⅳ级围岩支护结构因素水平表(m)

根据因素和水平数,设计获得L4(23)正交试验表,如表5所示。

表5 Ⅳ级围岩支护参数正交表

基于表5各工况支护参数,进行Ⅳ级围岩条件下隧道开挖数值计算,分析隧道围岩竖向位移变化情况。不同工况条件下,隧道的拱顶沉降量如下页图7所示。

(a)工况1

通过对图7不同工况的拱顶位移情况进行分析可知,工况1和工况3条件下,隧道的拱顶沉降最小,为13.71 mm;工况2的拱顶沉降最大,为13.76 mm。提取各工况条件下,隧道上台阶周边围岩竖向位移数值,绘制图8。

图8 Ⅳ级围岩隧道不同工况上台阶周边围岩竖向位移曲线图(mm)

由图8分析可知,在Ⅳ级围岩隧道施作钢带-锚杆联合支护体系,各工况下上台阶周边围岩均在拱顶处达到最大竖向位移。

据拱顶沉降数值得到正交试验结果,如表6所示。

表6 Ⅳ级围岩正交试验结果分析表

对比分析极差大小,由于RB>RC=RA,证明在Ⅳ级围岩条件下,对钢带-锚杆联合支护体系隧道拱顶位移影响最大的因素为锚杆纵向间距,锚杆环向间距影响和锚杆长度影响程度基本一致,均小于锚杆纵向间距。对比3个因素列中,Ki对应的最小水平因素:

A因素列:K2

B因素列:K1

C因素列:K1

由此确定,优化方案的组成因素为A2、B1、C1,即锚杆环向间距为1.0 m,锚杆纵向间距为1.0 m,锚杆长度为3.0 m。对该支护参数组合进行数值计算,竖向位移结果如图9所示。

图9 Ⅳ级围岩隧道优化方案竖向位移云图

由图9可知,对支护参数进行优化,隧道施作钢带-锚杆联合支护体系后在拱顶处出现最大竖向位移,拱顶沉降为13.69 mm,小于正交表中的最优解得到的拱顶沉降量。

对两种围岩情况进行分析,与Ⅳ级围岩相比,对Ⅴ级围岩隧道中进行钢带-锚杆联合支护体系的优化,变形控制效果提升更加明显,证明钢带-锚杆联合支护体系在围岩条件差的软岩隧道中更具适用性。

3 结语

本文针对钢带-锚杆联合支护体系在软岩公路隧道中应用的适用性问题,结合正交试验和数值模拟计算,提出了支护参数的优化方案,结论如下:

(1)对于Ⅴ级围岩隧道,钢带-锚杆联合支护体系中对隧道拱顶沉降影响程度最高的支护参数为锚杆环向间距;在Ⅳ级围岩隧道中,锚杆纵向间距对支护体系的变形控制效果影响最大。

(2)通过计算分析,Ⅴ级围岩隧道中,钢带-锚杆联合支护体系选用锚杆环向间距为0.8 m、锚杆纵向间距为0.8 m、锚杆长度为3.5 m支护效果最优,最小拱顶沉降量为16.25 mm;Ⅳ级围岩隧道支护参数建议选用锚杆环向间距为1.0 m,锚杆纵向间距为1.0 m,锚杆长度为3.0 m,最小拱顶沉降量为13.69 mm。

(3)与Ⅳ级围岩隧道相比,钢带-锚杆联合支护体系优化后应用于Ⅴ级围岩隧道中,变形控制能力提升幅度更大。