隧道鋼拱節點讓壓性能分析

董 標， 楊進京， 殷洪波， 徐國林, *

(1. 西南林業大學土木工程學院， 云南 昆明 650224； 2. 中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司， 云南 昆明 650200)

0 引言

深挖隧道遇軟弱圍巖時，在較高的地應力下往往會產生大變形，隨后出現襯砌開裂、支撐扭曲和圍巖坍塌等問題。這些問題可能造成重大經濟損失，也給隧道支護技術帶來巨大挑戰[1-2]。

針對軟巖大變形問題，主要支護技術有及時強支護、分層多次支護和可讓式支護等[3]。及時強支護是指及時在剛開挖的隧道中設置大剛度的支護結構，用以承載開挖后的所有圍巖壓力，其剛度往往大于規范推薦值，結構處于高應力狀態[4]；分層支護是一種通過多次支護以彌補剛度不足的支護方式，但因為破壞是一個快速的過程，采用分層支護時，常出現因支護不及時而坍塌的現象，為此楊峰[5]對支護的施作時機進行了研究；讓壓支護是一種通過釋放圍巖位移降低圍巖壓力，釋放變形的同時提供穩定承載力的新型支護方式[6]。合理的支護措施應是“邊支護邊讓壓，抗讓結合”，這樣既能解決及時強支護不經濟的問題，又能解決分層支護不及時的問題。因此，目前讓壓支護被認為是最佳的支護方式，本文解決軟巖大變形問題也正是基于此理論。

常用的讓壓支護結構有讓壓錨桿、可伸縮鋼拱和可壓縮層等。讓壓錨桿[7-8]應用最早且最廣泛，但當變形過大時，常出現襯砌開裂、錨桿拉斷等問題。可伸縮性鋼拱支撐[9-10]通過接頭滑移實現位移釋放，但常因接頭變形失去滑移性能。文獻[11-13]對可壓縮層進行研究，提出“管片襯砌碎石”和“管片襯砌陶粒”2種可壓縮層結構，并對可壓縮混凝土和膨脹黏土進行了試驗和數值分析。仇文革等[14]提出一種利用材料延性實現能量釋放的限阻器，但限阻器存在變形不可控和容易引起局部失穩的問題。此外，還有學者對支護系統進行研究以實現更好的支護效果，如汪波等[6]提出讓壓錨桿、可伸縮鋼拱架和變形控制器相結合的讓壓支護系統;胡雄玉等[12]提出錨桿、可壓縮層和管片襯砌共同作用的支護體系；文獻[15]提出“U型鋼架+注漿錨桿”的聯合支護技術。

綜上所述，目前讓壓功能主要通過材料屈服變形實現，但工作時材料承載力下降，存在失穩問題。本文通過構件滑動摩擦和擠壓實現變形釋放，提出一種變形可控的讓壓節點，并采用數值模擬和原型節點試驗對節點剛度和讓壓性能進行分析。

1 讓壓原理及節點設計

1.1 讓壓原理

隧道開挖后，圍巖中賦存的能量較大，待完成支護后，圍巖與支護相互作用直到平衡。從開挖到圍巖和支護相互作用平衡這一過程如圖1所示。圍巖邊界產生Δu(t)的相對位移，支護邊界產生Δu*的位移，平衡時圍壓p(t)與支護徑向力p*相等。

圖1 開挖—圍巖和支護作用平衡的過程

傳統強支護是一種剛性支護，到達穩定時相對位移Δu*較小，支護徑向力p*較大。為保證支護安全，因而使用更多的支護材料，但當作用到初期支護結構上的壓力超過承載極限時，會出現初期支護變形甚至垮塌的問題。

圍巖與強支護和讓壓支護在圍壓下的特征線如圖2所示，圖中虛線表示支護剩余性能。強支護全過程與讓壓支護前期的性能特點是位移增量小，承載力變化快，其中讓壓支護力到達一定值后，增量變小，直到平衡或讓壓結束。圖2中，讓壓特征線到達平衡的圍壓遠低于強支護，圍壓越低支護越安全。進一步可得出，若能有控制地釋放圍巖變形，將會提高支護安全性。

圖2 支護特征線

對圖2中4條支護特征線的性能進行分析可知： 1)強支護中的一條到達支護極限但未到達平衡，此支護下將發生坍塌；另一條在近支護極限位置到達平衡，但此支護是危險的。2)有水平讓壓段支護的平衡點最低，在4組支護中最安全；無水平讓壓段支護的讓壓值隨位移線性變化，在4組中安全儲備最高。2條讓壓特征線均有較多的剩余性能，屬于設計過剩，可在保證安全的條件下減少鋼材用量，降低工程成本。

1.2 構造設計

仇文革等[14]提出利用材料峰后性能釋放圍巖壓力的限阻器。該限阻器由兩相向連接板和兩連接板之間的豎向限阻板組成。在豎向力作用下，限阻板屈服變形，實現壓力釋放；限阻器在屈服后出現斷崖式支護抗力變化，減小值占初始峰值的60%左右。劇烈的支護抗力變化，更多地考慮了讓壓性能，而削弱了支護功能。

為改進限阻器屈服變形過程不可控這一問題，提出利用滑槽引導釋放變形的讓壓節點，讓壓節點構造及裝配如圖3所示。讓壓節點由內槽鋼、外槽鋼和高強螺栓組成，內、外槽鋼之間采用型號為GT/B 1228 M16×60的高強螺栓連接，槽鋼尺寸見表1。滑槽長度為50 mm，鋼材類型均為Q235，滑槽面參數如圖4所示，詳細尺寸見表2。

(a) 節點構造

表1 槽鋼尺寸

圖4 滑槽面參數

表2 滑槽面參數尺寸

1.3 螺栓受剪強度

高強螺栓滑動過程中出現預緊力松弛特性[16]，假定滑動過程中無預緊力損失，摩擦面抗滑移系數不會因接觸面破壞而改變，對高強螺栓受剪性能進行分析。根據《鋼結構設計標準》，其受剪承載力

N=0.9kNfμp。

(1)

式中：k為孔型系數，標準孔取1.0；Nf為傳力摩擦面數目；μ為抗滑移系數，Q235鋼未處理的表面取0.3；p為高強螺栓預緊力設計值，M16 mm 10.9級取100 kN。

由式(1)計算得每個螺栓受剪承載力設計值為54 kN。每個節點有4個高強螺栓，I160工字鋼極限承載力為200 kN，每個螺栓最大荷載為50 kN，小于受剪承載力設計值，不會發生剪切破壞。

2 數值模擬

圍巖擠壓作用下，隧道支撐受徑向和軸向作用，下文將通過數值模擬對讓壓節點的抗彎剛度、抗壓強度和讓壓性能進行分析。

2.1 模型概況

在ABAQUS中建立讓壓節點模型。截取一段工字鋼用以施加和傳遞荷載，工字鋼尺寸見表3；所有構件采用Q235鋼材，彈性模量為206 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，屈服極限為235 N/mm2，采用理想彈塑性本構模型；螺栓采用C3D4單元，其余構件采用C3D8R單元。在下單元工字鋼底部設置3個方向的位移約束，上單元工字鋼頂部施加荷載，初始增量步為0.01，最小增量步為1×10-5，采用動力隱式方法求解。

表3 工字鋼尺寸

接觸特性和螺栓預緊力的設置如下： 在上下工字鋼和內外槽鋼底板之間及螺桿與螺母之間設置綁定接觸，其余所有接觸面和內外槽鋼底板之間設置摩擦接觸，摩擦因數為0.15；螺栓預緊力通過螺桿軸向拉力實現，在螺桿內的剖切面上施加，并為其指定螺栓軸位置，且為保證計算收斂，應作為線性荷載在初始分析步中施加。

2.2 徑向作用

圍壓作用下鋼拱支撐承受徑向作用，傳統法蘭板連接節點滿足承載力要求，破壞一般發生在支撐上。為分析讓壓節點是否滿足徑向承載力要求，在工字鋼頂部施加10 kN的水平力，對比讓壓節點與法蘭板連接節點的應力分布(如圖5所示)，形變比例為1∶1。可以發現，讓壓節點發生偏壓滑動，與法蘭板連接的節點相比，屈服的范圍和變形幅度更小，故抗剪和抗偏壓性能更高。也可從構造上對這一性能進行評價，因為讓壓節點中有4塊加勁板，承載力強于法蘭板螺栓。

(a) 讓壓節點應力

2.3 軸向作用

在預緊力分別為30、60、90 kN時，分析直滑槽和徑縮槽2種滑槽類型讓壓節點的讓壓性能和受力分布情況。荷載-位移曲線數值模擬結果如圖6所示。圖中，00表示直滑槽，02表示徑縮滑槽，其后數值表示預緊力值。90 kN預緊力下直滑槽等效塑性應變如圖7所示。

圖6 荷載-位移數值模擬曲線

(a) 底板

由圖6中可知： 1)同一滑槽的性能曲線趨勢相同； 2)直滑槽呈水平趨勢，預緊力越大荷載越大； 3)徑縮滑槽先水平后上升，預緊力越大荷載上升越早； 4)對比同一預緊力下不同滑槽性能曲線可知，除徑縮滑槽上升段外，其余部分均重合。

由圖7可以看出： 1)90 kN預緊力下，直滑槽與工字鋼接觸的4個邊角塑性應變最大，且從外槽鋼4個焊腳向45°方向延伸； 2)螺栓下滑面上發生塑性變形，口徑外側強于內側，塑性應變分布較集中。

采用300 kN軸力和90 kN螺栓預緊力建立讓壓節點有限元模型，并與傳統工字鋼拱架法蘭板連接模型進行對比，其位移與應力分布對比如圖8所示。由圖8可知，讓壓節點豎向位移約為傳統法蘭板連接節點位移的7.8倍，但讓壓完成后其承載特性與法蘭板連接節點相同，具備支護特性與讓壓特性；不足之處在于讓壓節點用鋼量約為法蘭板式節點的3倍，加工較復雜。

(a) 位移對比(單位： mm)

對2種滑槽的讓壓節點荷載-位移曲線按工作過程進行劃分，如圖9所示。圖中，曲線00-30分為彈性上升段和恒阻段，曲線02-30分為彈性上升段、恒阻段和強阻段。彈性上升段中荷載和位移近似線性關系，此階段螺栓尚未滑移，位移量主要由材料彈性變形產生；恒阻段荷載保持恒定，螺栓滑動，阻力由摩擦力提供；強阻段中的阻力由接觸面摩擦力和擠壓力2部分組成，擠壓阻力隨位移增加而增加，整體趨勢為線性上升。

圖9 讓壓節點工作過程

由數值模擬結果可以知，讓壓節點工作曲線符合讓壓理論，與理想工作曲線相接近，符合預期性能目標。

3 試驗分析

3.1 試驗準備

根據數值模擬結果，對節點的讓壓性能做進一步探究，試驗條件與數值模擬相同。1)加工讓壓節點； 2)采用型號為231005的CENECA力矩扳手施加螺栓預緊力，將螺栓預緊力轉換為力矩，力矩系數K=0.187 5； 3)采用微機控制電液伺服壓力機(YAW-5000F)進行加載，加載方式為程控，荷載大小為200 kN，速度為1 kN/s。讓壓節點組裝完成后如圖10所示。

(a)

3.2 試驗結果

不同滑槽類型的讓壓節點試驗載荷-位移曲線如圖11所示。由圖11可知： 1)在30、60、90 kN預緊力下，開始工作荷載依次為25、45、50 kN； 2)45 mm位移下，最大荷載約為175 kN，最小荷載約為25 kN； 3)所有曲線初期存在小臺階，本文認為這是大壓力機對小荷載的控制精度不足造成的二次再加載。

圖11 讓壓節點試驗荷載-位移曲線

查看加載后的試件發現，大預緊力和徑縮滑槽的節點發生局部破壞，螺栓與內外槽鋼接觸面上發生破壞，內槽鋼加勁板彎曲，如圖12所示。

圖12 破壞的試件

從整體上看，內外槽鋼滑動時，能提供穩定支護力，可通過孔徑和預緊力控制滑動阻力。從細部上看，豎向荷載作用下，螺栓受拉，滑槽面和加勁板受壓，當內外槽鋼底部接觸時，上下單元形成荷載連通，此時的承載力取決于工字鋼的強度。

3.3 結果對比

對比直滑槽型讓壓節點的數值模擬結果與試驗結果，荷載-位移曲線如圖13所示。圖中“S”表示數值模擬結果，“T”表示試驗結果，其后參數表示預緊力。

圖13 直滑槽型讓壓節點數值模擬與試驗荷載-位移曲線

圖13中，低預緊力下數值模擬結果與試驗結果相差較小，但隨預緊力增大誤差變大。在45 mm處，二者最大荷載相差約10%，由此分析螺栓受拉預緊力松弛、接觸面破壞和滑槽面板彎曲是引起誤差的主要因素。

3.4 耗能分析

用位移與荷載乘積表示耗能，直滑槽和徑縮滑槽2種讓壓節點的耗能-預緊力折線如圖14所示。從圖中可以看出： 直滑槽型節點耗能-預緊力線性增大，徑縮滑槽型節點有拐點；同一預緊力下，徑縮滑槽型節點耗能高于直滑槽型節點的耗能。綜上表明，預緊力和滑槽類型對耗能影響大。

圖14 耗能-預緊力折線

3.5 工程應用結果

實際工程中，可通過布置多個節點和/或適當加長滑槽長度滿足更大滑移量需求。在噴射混凝土以后，滑動性能不受影響，但滑動會引起噴射混凝土局部擠壓破裂，可預留噴射混凝土后澆帶(待讓壓后再澆筑區域)。

讓壓節點通常布置在拱頂、拱腰和拱腳位置，實際數量根據圍巖類別、圍壓分布、隧道跨度等因素確定。組裝時，直接將節點內槽鋼底板與單元一端焊接，待調整好位置后，再將外槽鋼底板與下單元焊接。

4 結論與討論

讓壓節點能夠解決傳統強支護和分層多次支護用于高地應力隧道時，工程經濟性差和支護安全性低的難題。基于讓壓技術，本文提出新型讓壓節點，研究節點滑槽類型和預緊力對其側向剛度和軸向讓壓性能的影響規律，得出以下結論：

1)新型讓壓節點利用接觸面摩擦滑移釋放節點變形，滑動時能提供穩定的承載力，符合“邊支護邊讓壓，抗讓結合”的理念。

2)讓壓節點抗剪性能強，其釋放的變形量約為法蘭板連接節點的7.8倍，且釋放變形后不影響支護性能，施工方便，可用于軟巖變形隧道。

3)本文僅分析了滑槽形狀和預緊力對節點讓壓性能的影響，未考慮巖土類別、隧道埋深、節點布置位置以及施工斷面不平整引起的受力不均等影響因素。