鋼管混凝土支護結構力學性能與支護效應研究

魏清武，張富明

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250000）

地下隧道工程施工會使周圍巖土體的應力平衡狀態被打破，產生洞室變形，如果沒有及時進行有效的支護，就會引起周圍巖土體松動，嚴重時甚至會發生坍塌。因此，選擇合理的支護方法保證圍巖長期穩定十分重要。與此同時，隧道作為大型基礎建設項目，施工工期漫長，施工成本非常大，如何提高施工效率、降低施工成本已成為眾多學者關注的課題。

鋼管與混凝土進行結合所形成的構件是將混凝土填充在鋼管內，從而實現約束混凝土的目的；同時，由于混凝土對于外部鋼管具有支撐作用，其穩定性也優于空鋼管構件。目前鋼管混凝土結構已經廣泛應用于煤礦巷道中[1-2]，但在隧道工程中的應用還很少。將鋼管混凝土支護結構用于隧道工程的支護中，可以減少用鋼量，降低支護成本，增加隧道的使用面積，因此具有很高的應用前景[3]。

在此背景下，文章利用有限元分析軟件ABAQUS分析不同支護結構及不同截面形式，討論不同支護結構型式及不同截面形式對鋼管混凝土支護結構的力學性能影響，并將其與傳統的支護結構型式進行比較[4-10]。

1 工程概況

案例區間位于青島市市北區鞍山路站至錯埠嶺站之間，整體呈東西走向，沿鞍山路、遼陽西路路北一側布置。區間線路出鞍山路站后下穿鞍山路小學、金桂花園、東泰小區、海泊河后進入錯埠嶺站。區間YCK8+646.66（ZCK8+647.71）處設有三號風亭。區間兩端的始發洞和接收洞采用礦山法，其他地段采用TBM法施工。區間隧道最大線路縱坡為27.0‰，最小縱坡為0‰，為單向坡隧道，線路基底標高-26.15～-21.23m，基底埋深30.75～37.03m。

2 數值分析方法

2.1 建立模型

結合工程實際，采用隧道工程中常見的圓形、馬蹄形和直墻拱形三種斷面形式，鋼管混凝土的支護截面形式分別采用方形截面和圓形截面，工字鋼支護選取常用的22a型，分別建模進行ABAQUS模擬對比分析。各模型尺寸特征如表1所示。

為了方便對比分析，三種形式的斷面尺寸近似相同。模型采用混凝土單元和鋼管單元；混凝土及鋼管單元模型均采用C3D8R單元，該單元可以用來模擬較大的網格扭曲，適合大應變分析[11]。

表1 模型尺寸

2.2 模型力學參數

鋼管采用Q235鋼材，其彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.304；混凝土采用C40，其彈性模量為3.25×104Pa，泊松比為0.2。

對于鋼管塑性，只需定義鋼管在塑性階段的應力－應變關系。混凝土的塑性屬性，通常采用混凝土損傷模型進行定義。C40混凝土的損傷塑性相關參數如表2所示。

表2 混凝土損傷塑性參數

文章采用C40混凝土，按照混凝土結構設計規范中混凝土單軸受壓應力-應變曲線參數取值，得到C40混凝土受壓應力-應變曲線如圖1所示。

圖1 C40混凝土受壓應力-應變關系

同理，對于混凝土受拉應力-應變，按照混凝土結構設計規范中混凝土單軸受拉應力-應變曲線參數取值，得到C40混凝土受拉應力-應變曲線如圖2所示。

2.3 加載方案

圖2 C40混凝土受拉應力-應變關系

為模擬混凝土在現實情況中的力學狀況，在周圍巖土體表面施加壓應力，施加方式為將壓力施加給周圍巖體表面，巖體再施加給支護結構。因進行單一變量對比分析，所有模型中對周圍巖土體施加的壓力值應保持不變。模型加載方式如圖3所示，對混凝土無支護情況進行三面壓力施加。本研究著重對比分析鋼管混凝土支護結構力學性能和支護效應，因此將周圍巖土體均按彈性介質進行簡化模擬。

圖3 模型加載方式示意圖

2.4 分析方法

討論鋼管混凝土支護結構型式與工字鋼支護結構型式在三種不同隧道斷面形式及不同截面的撓度變形及應力變化；討論在同一斷面形式下，不同截面支護結構型式撓度變形和應力變化。選取3個代表位置特征點拱頂、拱腰及拱腳位置，討論同一截面但不同斷面形式下隧道支護結構型式的撓度值，分析對比在無支護結構與各種支護結構型式下的圍巖最大撓度值，討論各種支護結構型式的力學性能與支護效應。

3 結果分析

3.1 應力分析

三種斷面形式下的常規工字鋼支護結構、方形和圓形鋼管混凝土支護結構的Mises分布云圖如圖4～圖5所示。由圖4～圖5可知，對應支護結構應力分布具有以下特點：

（1）應力集中位置分布基本相同；（2）選擇3處代表位置拱腳及拱頂兩側節點進行應力變化分析可知，拱腳位置應力大小順序為圓形鋼管混凝土支護＜方形鋼管混凝土支護＜常規工字鋼支護。

根據圖4～圖5結果分析可以得出，不同隧道斷面形式的各種支護結構型式的應力集中點基本相同；相對于傳統工字鋼支護，鋼管混凝土支護應力更均勻；鋼管混凝土支護結構在關鍵位置處的應力集中值要比傳統工字鋼支護結構小；圓形隧道斷面的受力比其他形式隧道斷面的受力更均勻。

3.2 應變分析

圓形隧道斷面常規工字鋼支護結構、方形鋼管混凝土支護結構和圓形鋼管混凝土支護結構的最大撓度分布云圖如圖6～圖7所示。由圖6～圖7可知，對應支護結構最大撓度有以下特點：

圖4 馬蹄形隧道斷面鋼管混凝土支護結構的應力分布云圖

圖5 直墻拱形隧道斷面鋼管混凝土支護結構的應力分布云圖

（1）撓度變化趨勢基本相同；（2）選擇3處代表位置點拱頂、拱腰及拱腳相同節點進行對比分析，可知最大撓度大小關系為圓形鋼管混凝土支護＜方形鋼管混凝土支護＜常規工字鋼支護。

根據圖6～圖7結果分析可以得出，各種支護結構型式的撓度變化趨勢基本相同，而鋼管混凝土支護結構撓度變形值要遠遠小于傳統工字鋼支護結構；相對于方形鋼管混凝土，圓形支護結構型式的撓度變形值更小，因此圓形支護結構的支護作用比方形的支護作用更強。

3.3 控制點位移分析

選取上述各種混凝土支護結構型式的3處代表位置處拱頂、拱腰及拱腳位置同一位置（如圖8～10所示），討論同種截面結構形式下不同隧道斷面結構形式的撓度變形量，可得到以下結果。

圖8對比給出了同一截面形式下不同斷面形式在拱頂位置處的變形量，可以看出在拱頂位置，直墻拱形隧道斷面形式的撓度值最小，圓形隧道斷面形式的撓度值最大。

圖9對比給出了同一截面形式下不同斷面形式在拱腰位置處的變形量，可以看出在拱腰位置，圓形隧道斷面形式的撓度值最小，直墻拱形隧道斷面形式的撓度值最大。

圖6 馬蹄形隧道斷面鋼管混凝土支護結構的應變分布云圖

圖7 直墻拱形隧道斷面鋼管混凝土支護結構的應變分布云圖

圖8 拱頂位置變形量對比

圖9 拱腰位置變形量對比

圖10 拱腳位置變形量對比

圖10對比給出了同一截面形式下不同斷面形式在拱腳位置處的撓度變化，可以看出在拱腳位置，圓形隧道斷面形式的撓度值最小，直墻拱形斷面形式的撓度值最大。

4 結論

文章利用ABAQUS大型有限元數值計算軟件，對不同支護結構型式進行了數值模擬計算，對數值模擬結果進行對比討論。通過分析，所得結論如下：

（1）相比于傳統支護結構型式，鋼管混凝土支護結構型式承載力高，撓度變形量較小，支護效應更好。

（2）圓形截面比方形截面鋼管混凝土支護結構支護受力更合理，支護效果更好。

（3）直墻拱形斷面支護結構型式的鋼管混凝土支護結構型式的支護效應更強。