深埋黃土隧道拱腰部錨桿支護的必要性研究

胡昆昆 趙亞偉 趙越超 劉振華

摘要：為了檢驗拱腰部位錨桿支護結(jié)構(gòu)的對黃土隧道沉降的作用，本文以蘭秦快速公路付家窯隧道為工程依托，利用MIDAS/GTS有限元分析軟件分兩種工況對該問題進行探究，得出如下結(jié)論，對于淺埋隧道，在拱腰部設(shè)置錨桿支護，能夠降低隧道拱頂沉降，但效果不明顯，考慮到工程造價等問題，對于深埋黃土隧道不建議在拱腰處加錨桿。

關(guān)鍵詞：深埋黃土隧道；錨桿支護；拱腰；隧道沉降

一.依托工程背景

付家窯隧道是甘肅省內(nèi)第一座大斷面黃土隧道，隧道開挖寬度為17m，開挖高度為11m，最大埋深114米，最小埋深為14m，隧道全長范圍內(nèi)為V級圍巖，隧道區(qū)域地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積黃土狀砂質(zhì)粉土，上更新統(tǒng)風積黃土及上更新統(tǒng)沖積黃土狀夾細砂層

二.模型建立及分析

利用MIDAS/GTS有限元軟件，以依托工程為背景，對隧底拱腰未設(shè)置與設(shè)置錨桿支護處理的隧道施工過程分別進行二維數(shù)值模擬，建立如圖1所示有限元分析模型，模型選取付家窯隧道洞身深埋段，根據(jù)圣維南原理，隧道開挖之后，在距隧道洞室中心點3～5倍洞徑范圍內(nèi)存在圍巖應(yīng)力應(yīng)變。3倍隧道開挖寬度處的應(yīng)力變化一般在10%以下，5倍隧道開挖寬度處的應(yīng)力變化一般在3%以下[40]。所以，對隧道的施工過程進行二維數(shù)值模擬時，計算邊界的取值宜在隧洞3～5倍的開挖寬度范圍內(nèi)。付家窯隧道深埋段采用CD法開挖，開挖寬度約為17m，因此將二維模型地層寬度設(shè)為左右邊界距隧道中心各60m，下邊界距隧道開挖斷面底部60m，上邊界取至自由表面，由于模擬深埋斷面（YK0+785），結(jié)合隧道實際情況，上邊界取值約為距隧道拱頂68.5m，其中，表層約20m為自重濕陷性黃土。模型共劃分4898個單元、4315個節(jié)點：

由于蘭秦快速路付家窯隧道所處的地質(zhì)水文條件、氣候以及巖體本身所具有的特殊性，目前難以完全準確的通過數(shù)值模擬反映現(xiàn)場隧道施工過程的實際情況，本文數(shù)值模擬時基于以下基本假定：

1.采用模型的巖體材料性質(zhì)均假定為均質(zhì)、各向同性；

2.模型采用較為適用巖土材料的Mohr-Coulomb準則，支護結(jié)構(gòu)中的噴射混凝土和鎖腳錨桿均視為線彈性材料，不考慮非線性；

3.巖土體的初始應(yīng)力場僅考慮自重應(yīng)力；

4.超前小導(dǎo)管注漿的效果采用提高加固圈物理參數(shù)的方法來模擬其作用效果，并將鋼拱架及鋼筋網(wǎng)的支護作用換算給噴射混凝土；

5.不考慮偏壓及空間效應(yīng)，隧道的受力和變形為平面應(yīng)變問題。

圍巖及支護參數(shù)如表1.1所示

在隧道開挖之后，由于圍巖失去了原有的支撐，破壞了圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，圍巖將朝向隧道的內(nèi)部移動。在隧道的洞周一定范圍內(nèi)會引起圍巖位移，將形成新的應(yīng)力場。通過MIDAS/GTS對隧道施工過程進行數(shù)值分析過程中，可利用“激活”和“鈍化”功能對隧道的開挖及支護過程進行模擬。

1.工況一：拱腰部設(shè)置有錨桿支護體系

工況一情況下，隧道開挖完成后圍巖變形如圖2所示，最大位移在拱頂處為17.8cm，拱腰部沉降較小為1cm左右，隧道施工完成后，主要的沉降在拱頂處：

2.工況二：拱腰部沒有設(shè)置錨桿支護體系

工況二情況下，拱腰部位不設(shè)置鎖腳錨管，隧道施工完成后豎向變形圖，如圖3所示，最大位移在拱頂處為18.2cm，沉降主要發(fā)生在拱頂。

通過對兩種工況下黃土隧道的施工完成后圍巖變形的分析得出如下結(jié)論：

三.結(jié)論

1.隧道的沉降主要發(fā)生在拱頂及其周圍，因此在施工過程中對拱頂沉降的監(jiān)測顯得尤為重要。拱腰部位加錨桿支護，對其拱頂沉降影響較小

2.拱腰部的豎向沉降較小，錨桿支護對其沉降的影響可以忽略。

對于黃土隧道，在拱腰部加錨桿支護對其拱頂下沉有一定的控制作用，對拱腰的影響可以忽略，因此對于黃土隧道來說，拱腰部設(shè)置錨桿支護的意義不大。

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作者簡介：胡昆昆（1991—），男，漢族，河南平頂山人，學(xué)生，研究生在讀，單位：長安大學(xué)，特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，研究方向：巖土與隧道工程。