半明半暗連拱隧道錨桿施工力學分析

張 忠,莫海軍,覃 宇

(1.湖南利聯安邵高速公路開發有限公司,湖南 婁底 417000;2.珠海市電力建設工程有限公司,廣東 珠海 519000)

目前,隨著錨桿支護技術在巖土工程的廣泛應用,人們對錨桿的作用機理了解不斷深入[1]、[2]。但是,在實際工程中錨桿支護是很多錨桿組成的錨桿群一起共同工作,因此錨桿群的工作特點與單根錨桿會有所不同;并且,錨桿的受力是隨著處于隧道位置不同而變化較大。但是現今設計往往并不區別對待,結果導致大多數部位的錨桿設計偏于保守,而個別部位可能出現不足。

為了了解錨桿群在半明半暗連拱隧道中的工作特點,本文以某市的半明半暗連拱隧道為工程背景,利用有限差分對其施工方法進行模擬,進而對錨桿群的受力特點進行研究,以便對其不同部位受力機理更充分的認識。

1 工程概況

2 施工過程的數值模擬

2.1 計算模型

圖1 半明半暗隧道結構圖

依照地質資料以及設計中連拱隧道斷面的相關尺寸建立平面模型:計算模型的寬度為 100m;豎直方向向上取到地表,向下以隧道拱底為基準往下再取 30m。計算時所施加的邊界約束條件是:地表為自由邊界,未受任何約束;計算模型的左右邊界分別受到水平方向的位移約束,下部邊界受到垂直方向的位移約束。計算模型網格劃分如圖 2所示。根據分析問題的特點 ,圍巖采用 Drucke-Plrager屈服準則,初始應力僅考慮自重應力,隧道初期支護考慮錨桿、噴射混凝土以及鋼拱架的作用。圍巖采用實體單元,錨桿采用錨索單元,初期支襯用殼體單元、二次襯砌采用實體單元。

圖2 半明半暗隧道網格劃分

2.2 圍巖計算參數

圍巖所選取的計算參數多數是根據隧道的勘測報告確定的,參數不全的部分由《公路隧道設計規范》選取的,錨桿和混凝土襯砌具體幾何參數為實際設計數值,中隔墻為鋼筋混凝土材料,按照塑性材料處理,具體詳見表1。

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2.3 模擬過程

隧道三維開挖過程與平面的有所不同,具體施工步驟劃分見圖 3。

步驟 1:中導洞開挖 3m,然后施作 3m的初期支護,重復以上過程直至中導洞貫通;

步驟 2:中隔墻一次性澆筑;

步驟 3:右導洞開挖 3m,然后施作 3m的初期支護,直至右導洞貫通;

步驟 4:右側暗洞上臺階向前開挖3m及施作初期支護,直至上臺階貫通;

步驟 5:右側暗洞下臺階向前開挖3m及施作初期支護,直至下臺階貫通;

圖8中，左側為貨位隨機分配示例圖，右側為EMBBO算法貨位分配優化示例圖；圖中不同顏色立方體分別代表A,B,C,D 4種貨物，對比兩種貨位分配方案，右側貨架重心明顯降低，高出/入庫頻率貨物(C類、D類貨物)放置于距離出/入庫臺近的位置，滿足存儲效率優先原則、結構穩定性原則，貨位分配布局更為合理。

步驟 6:右側暗洞一次性施作二次襯砌;

步驟 7:左側明洞一次開挖完成;

步驟 8:左側明洞二次襯砌一次施作;

步驟 9:左側明洞洞頂回填。

圖3 隧道開挖順序

3 計算結果及分析

3.1 計算結果

圖4 中導洞開挖后

圖5 右主洞上臺階開挖后

圖6 左主洞開挖后

圖7 左主洞洞頂回填后

根據隧道的結構特點把錨桿分為拱頂、拱腰、拱腳、墻腰、墻腳等五個部分來分析,劃分邊界是根據隧道設計的不同曲線來分割的。

(1)中導洞開挖后,其周邊圍巖中的錨桿全部受拉力,在中導洞底部的錨桿群出現最大拉力,其值為 0.92 kN(圖4)。

(2)右側暗洞上臺階開挖后,在右側暗洞巖體中的錨桿全部受拉力,在靠近左拱腳側的錨桿群拉力較大,最大拉力值為 5.86 kN;右拱腳側錨桿群受力次之,其它部位的拉力較小;而中隔墻的頂部、底部巖體中的錨桿則出現比較小的壓力(圖5)。

(3)左側明洞開挖后,右側暗洞在左拱腳側的錨桿拉力值進一步增加,而拱頂、拱腳部位錨桿的拉力有所減少,最大拉力值為 6.86 kN;中隔墻頂部、底部巖體中的錨桿還是以受壓為主,但壓力有所增加(圖 6)。

(4)左側明洞洞頂回填完成后,右側暗洞部分巖體中的錨桿拉力值有所減少,甚至個別的出現壓應力;其中在右側暗洞左拱腳部位的錨桿拉力最大,值為 6.72 kN;中隔墻頂部、底部巖體中的錨桿壓力進一步增加但增加不是很多(圖7)。

3.2 分析

通過數值分析方法對某半明半暗連拱隧道的施工方法進行模擬,和對錨桿群的受力特征進行分析,得出如下結論。

(1)在右側暗洞左、右拱腳部位的錨桿群受力較大,特別是左拱腳的部位;因此在此處的錨桿群發揮的作用比較完全,對設計來講是關鍵部位、對施工來講是重點。

(2)在右側暗洞拱頂部位的較小,甚至出現壓力;因此表明錨桿的作用沒有充分發揮出來,在此處有沒有錨桿關系不大。

(3)在右側暗洞墻腰部位錨桿的受力居中,設計偏于保守,可以適當減少錨桿的數量。

4 結束語

從理論分析看,因為半明半暗連拱隧道埋深較淺,本文針對模擬的隧道最大埋深只有 16m,地面傾角為 31°,因此巖體主要受自重荷載。雖然隧道受大偏壓,但是荷載較小。因此在開挖后,在暗洞拱腰側的圍巖受力較大,其它部位較小,進而可以考慮根據圍巖不同部位的受力特點適當的調整錨桿的數量以做到經濟合理。

[1]方勇,何川.全長粘結式錨桿與隧道圍巖相互作用研究[J].工程力學,2007(6):111-116

[2]楊雙鎖,張百勝.錨桿對巖土體作用的力學本質[J].巖體力學,2003(10):279-282

[3]秦愛新.全長錨桿支護力學分析[J].河北煤炭,2001(1):1-2

[4]曾華明,李祺,岳向紅.張拉荷載下錨桿錨固巖石錨桿的力學分析[J].巖石力學與工程學報,2006(10):3982-3986