鋼帶-錨桿聯合支護體系在軟巖隧道中的受力特性研究

基金項目：廣西重點研發計劃項目“基于分布式光纖的隧道施工安全與運營健康實時監測技術研究（自籌）”（編號：桂科AB22080027）

作者簡介：吳真瑋（1988—），碩士，工程師，主要從事隧道及巖土工程理論和技術方面的研究、公路隧道試驗檢測工作。

摘要：針對軟巖隧道開挖后變形大，變形速度快，傳統支護結構無法充分發揮支護效果的問題，文章使用FLAC 3D模擬計算軟件，對臺階法開挖的雙車道公路隧道中使用的鋼帶-錨桿聯合支護結構進行數值分析，研究該柔性支護結構對不同條件軟巖隧道的適用性，并計算得到其對軟巖隧道的支護效果及受力特性。結果表明：鋼帶-錨桿聯合支護體系在不同圍巖條件下的軟巖隧道中支護效果不同，與Ⅳ₃級圍巖相比，該結構在Ⅴ₁級圍巖隧道的適用性更高；當其他條件一致時，在Ⅳ₃級圍巖與Ⅴ₁級圍巖隧道中，鋼帶-錨桿聯合支護體系的支護效果要略優于傳統支護結構；在臨界破壞荷載范圍內，鋼帶-錨桿聯合支護體系對于圍巖條件越差、埋深越大、地應力越高的軟巖隧道周邊圍巖的變形控制效果越明顯。

關鍵詞：軟巖隧道；鋼帶-錨桿聯合支護；受力特性；數值分析

中圖分類號：U455.7+1A321054

0 引言

隨著廣西路網的快速發展，高速公路工程中的橋隧占比逐年提高，隧道工程的建設難度也隨之增加。在軟弱圍巖以及破碎地層條件下進行隧道開挖建設的項目越來越多。軟巖隧道在開挖過程中具有周邊圍巖變形大、變形速度快等特點，所以施作于軟巖隧道中的支護結構應有別于常見的施作于硬巖或圍巖較完整條件下的剛性隧道支護結構，要更充分地發揮軟弱圍巖的自承能力，達到柔性支護的目的。由此，研究柔性支護體系在軟巖隧道中的適用性與受力特性具有重要的工程意義。

目前，國內外學者對柔性支護體系的研究主要集中于將鋼帶-錨桿聯合支護體系應用于礦山開采巷道的支護中，對于將鋼帶-錨桿聯合支護體系應用于隧道中的研究尚屬起步階段。柔性支護主要基于讓壓作用，讓圍巖應力得到充分釋放，優化隧道支護結構的受力情況^［1-2］；在支護結構方面，主要通過錨桿與其他內壓構件的組合實現柔性支護^［3-4］。但是，鋼帶-錨桿聯合支護體系在軟巖隧道中的受力特性和支護效果還有待進一步研究。

本文使用FLAC 3D模擬軟件，比較分析鋼帶-錨桿聯合支護體系和傳統支護結構在軟巖隧道中的支護效果和承載能力^［5］。通過比較位移和應力變化情況，研究總結聯合支護體系的適用條件，以期將鋼帶-錨桿聯合支護體系應用于實際工程中。

1 計算模型

本文研究的鋼帶-錨桿聯合支護體系如圖1所示，其中鋼帶與錨桿鉸接為一個整體，共同受力，采用W型鋼帶，錨桿間距為1 m×1 m，使用鋼帶代替傳統支護結構中的鋼拱架，承擔內支撐結構的作用。

本研究使用FLAC 3D有限差分軟件進行數值計算，采用Beam單元對鋼帶和鋼拱架進行模擬，采用Cable單元對錨桿進行模擬^［6］。初噴混凝土采用Shell單元進行模擬。鋼帶-錨桿聯合支護體系數值模擬如圖2所示。

隧道模型尺寸如圖3所示，寬為12.44 m，高為10.04 m。計算區域按照上下邊界取5倍隧道高、左右邊界取5倍隧道跨度的原則，橫向取120 m、豎向取110 m，隧道縱深方向取60 m，形成本次模擬計算的計算區域，如圖4所示。

本文規定Z方向荷載為施加在模型頂部豎直向下的面荷載，隧道埋深通過在模型頂部施加相應地層自重的豎向荷載來模擬，利用圍巖重度和埋深大小換算得到埋深與豎向施加荷載的關系：當圍巖為Ⅴ₁級和Ⅳ₃級時，重度分別為19 kN/m³和21 kN/m³；當隧道處于100 m埋深時，模型隧道拱頂至模型頂部應為54 m，計算可知，此時兩種圍巖條件下應施加的豎向荷載分別約為0.9 MPa和1.0 MPa。

通過施加不同的上部荷載，模擬隧道處于不同埋深情況，得到不同圍巖等級條件下的兩種工況，如表1所示。每一次增加豎向荷載，均需對模型進行初始應力平衡，并進行隧道開挖模擬計算。

2 支護效果和承載能力分析

2.1 承載能力分析

圖5顯示了不同圍巖條件下，鋼帶-錨桿聯合支護隧道拱頂位移增長速率隨豎向荷載加載變化的情況。

由圖5可知，在Ⅴ₁級圍巖條件下，當豎向方向施加的荷載超過2.5 MPa時（即隧道埋深超過185 m時），隧道拱頂位移增長速率突然加快，推測在該條件下隧道拱頂處圍巖出現了突變，隧道易出現失穩破壞的情況；在Ⅳ₃級圍巖條件下，該臨界破壞荷載為5.6 MPa，此時對應的隧道埋深為320 m，超過該位置，鋼帶-錨桿聯合支護隧道易出現坍塌的風險。

綜上所述，埋深≤185 m的Ⅴ₁級圍巖隧道或埋深≤320 m的Ⅳ₃級圍巖隧道，可采用鋼帶-錨桿聯合支護體系作為隧道支護結構。

以兩種圍巖條件下的臨界破壞荷載為標準，提取鋼帶-錨桿聯合支護隧道的剪應力初始狀態和臨界狀態的變化情況，如圖6所示。

由圖6可知，在豎向荷載施加的初始階段，圍巖的最大剪應力主要集中于隧道兩側壁位置；隨著豎向荷載的增加，即隨著隧道埋深的增加，隧道周邊圍巖受到的最大剪應力逐漸遠離隧道側壁，向圍巖內部方向移動。

在Ⅴ₁級圍巖條件下，當上部荷載達到破壞臨界荷載時，隧道周邊圍巖受到的最大剪應力是施加初始荷載情況的2.14倍。在Ⅳ₃級圍巖條件下，當上部荷載達到破壞臨界荷載時，隧道周邊圍巖受到的最大剪應力是施加初始荷載情況的2.79倍。對比可知，鋼帶-錨桿聯合支護體系在Ⅴ₁級圍巖隧道中的支護效果更好。

2.2 圍巖位移分析

在等效埋深為100 m的情況下，對比分析鋼帶-錨桿聯合支護體系和傳統支護在兩種級別圍巖的豎向位移，如圖7、圖8所示。

由圖7～8可知，在等效埋深為100 m的情況下，鋼帶-錨桿聯合支護體系在不同等級軟巖隧道中的支護效果略優于傳統支護結構。對比隧道上臺階斷面各點處的豎向位移發現，兩種支護結構作用下，隧道周邊圍巖的沉降量發展趨勢基本一致。兩種工況均在隧道拱頂處出現最大沉降量。在Ⅴ₁級圍巖隧道中，鋼帶-錨桿聯合支護下隧道的拱頂沉降要比傳統支護結構小1.4%；在Ⅳ₃級圍巖條件下，鋼帶-錨桿聯合支護下隧道的拱頂沉降要比傳統支護結構小0.07%。

對比不同埋深情況下，兩種支護結構在不同等級軟巖隧道的支護效果，Ⅴ₁級圍巖隧道施加豎向荷載為0.25～2.5 MPa，即等效埋深為65～185 m；Ⅳ₃級圍巖隧道施加豎向荷載為0.8～5.6 MPa，即等效埋深為90～320 m。

分析比較不同圍巖條件下，兩種支護結構下隧道拱頂沉降的變化趨勢（見圖9）。由圖9可知，在Ⅴ₁級圍巖條件下，鋼帶-錨桿聯合支護隧道在破壞臨界荷載時的拱頂沉降比傳統支護隧道小3.7%;在Ⅳ₃級圍巖條件下，鋼帶-錨桿聯合支護隧道在破壞臨界荷載時的拱頂沉降比傳統支護隧道小2.5%。這證明在臨界破壞荷載范圍內，圍巖條件越差、埋深越大、地應力越高的軟巖隧道，應用鋼帶-錨桿聯合支護結構具有更好的支護效果。

3 結語

（1）與Ⅳ₃級圍巖相比，鋼帶-錨桿聯合支護體系在Ⅴ₁級圍巖隧道中的適用性更高。

（2）在相同圍巖條件下，施作鋼帶-錨桿聯合支護體系與傳統支護結構的軟巖隧道周邊圍巖的豎向位移變化趨勢相似，但鋼帶-錨桿聯合支護體系的支護效果要略優于傳統支護結構，埋深越深，鋼帶-錨桿聯合支護隧道的支護效果越好。

（3）在破壞臨界荷載范圍內，圍巖條件越差、埋深越大、地應力越高的軟巖隧道，應用鋼帶-錨桿聯合支護體系對于隧道周邊圍巖的變形控制效果越明顯。

參考文獻

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