鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系在軟巖隧道中的支護參數(shù)優(yōu)化研究

馮建輝,楊仕恒,姜洪亮,3,4,熊春發(fā),3,4

(1.廣西壯族自治區(qū)公路隧道安全預(yù)警研究中心,廣西 南寧 530007;2.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007;3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;4.高等級公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)、材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,廣西 南寧 530007)

0 引言

鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系作為支護方式,多用于礦井巷道中等小斷面隧道中,由于其柔性支護的特性,在軟巖條件的公路隧道中具備適用性。因鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系的主要設(shè)計參數(shù)較多,在應(yīng)用于公路隧道時,應(yīng)確定合適的設(shè)計參數(shù),以保證其能對軟弱圍巖進行有效支護。因此,對鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系的支護參數(shù)進行優(yōu)化研究具有重要的工程意義。

目前,國內(nèi)外學(xué)者針對鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系的支護參數(shù)研究主要集中于錨桿及鋼支撐等參數(shù),但是對于各參數(shù)的研究主要為單一變量優(yōu)化[1-2],對影響支護效果因素的研究主要為錨桿的間距和錨桿長度等[3],多參數(shù)全面分析主要采用正交試驗設(shè)計,有利于最優(yōu)參數(shù)組合的選擇[4]。但對于鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系支護參數(shù)的多因素研究優(yōu)化及其在不同級別軟巖隧道中的應(yīng)用效果還有待進一步研究。

本文將采用正交試驗設(shè)計結(jié)合數(shù)值模擬的方式,針對同一埋深下兩種不同等級的軟巖隧道進行計算分析,快速準確地得到不同圍巖等級下鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系在公路隧道中的最優(yōu)設(shè)計參數(shù),為鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系應(yīng)用于實際工程中提供理論依據(jù)。

1 計算模型

隧道計算模型斷面尺寸如圖1所示,其中,隧道寬為12.44 m,高為10.04 m。本次計算區(qū)域橫向取120 m、豎向取110 m,隧道縱深方向取60 m,設(shè)置隧道埋深為100 m,如圖2所示。

圖1 隧道斷面尺寸圖(cm)

圖2 模型尺寸圖(m)

使用FLAC 3D有限差分軟件進行數(shù)值計算,分別采用Beam單元和Cable單元對鋼帶和錨桿進行模擬[5],鋼帶選用W型鋼帶,初噴混凝土采用Shell單元進行模擬,隧道環(huán)向、縱向鋼帶及錨桿布置如圖3所示。

圖3 隧道鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系構(gòu)件布置示意圖

通過數(shù)值計算可知,影響鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系受力的主要因素為錨桿設(shè)計長度以及錨桿環(huán)向、縱向布置間距,這與馬濤等[6]所得結(jié)論基本一致,其中錨桿縱向間距即為鋼帶布置間距。支護體系構(gòu)件布置如圖3所示。

2 支護參數(shù)優(yōu)化受力研究分析

針對錨桿環(huán)向布置間距、錨桿縱向布置間距以及錨桿設(shè)計長度進行支護參數(shù)優(yōu)化,基于三個參數(shù)設(shè)計正交試驗,研究不同支護參數(shù)條件共同作用下鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系在軟巖隧道中的受力情況。

2.1 Ⅴ級圍巖

針對Ⅴ級圍巖,結(jié)合模型計算,設(shè)置錨桿環(huán)向布置間距分別為0.8 m、1.0 m、1.2 m,錨桿縱向布置間距分別為0.8 m、1.0 m、1.2 m,錨桿設(shè)計長度分別為2.5 m、3.0 m、3.5 m。為保證正交試驗的有效性,使用隨機抽取的方式,確定各影響因素的位置,見表1。

表1 Ⅴ級圍巖因素水平表(m)

根據(jù)因素和水平數(shù),設(shè)計獲得L9(34)正交試驗表,如表2所示。

表2 Ⅴ級圍巖支護參數(shù)正交表

基于表2各工況支護參數(shù),進行Ⅴ級圍巖條件下隧道開挖數(shù)值計算,并對隧道圍巖豎向位移變化情況進行分析。不同工況條件下,隧道的拱頂沉降量如圖4所示。

(a)工況1

通過對圖4不同工況的拱頂位移情況進行分析可知,工況5條件下,隧道的拱頂沉降最小,為16.39 mm;工況7的拱頂沉降最大,均為16.66 mm。提取各工況條件下,隧道上臺階周邊圍巖豎向位移數(shù)值,繪制圖5。

圖5 Ⅴ級圍巖隧道不同工況下上臺階周邊圍巖豎向位移曲線圖(mm)

由圖5分析可知,在Ⅴ級圍巖隧道施作鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系,各工況下上臺階周邊圍巖在拱頂處附近達到最大豎向位移。

根據(jù)拱頂沉降數(shù)值得到正交試驗結(jié)果分析表,如表3所示,其中Ki和ki分別表示該列水平因素為i對應(yīng)的試驗結(jié)果總和以及算術(shù)平均值。

表3 Ⅴ級圍巖正交試驗結(jié)果分析表

對比分析極差大小,由于RA>RB>RC,證明在Ⅴ級圍巖條件下,對鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系隧道拱頂位移影響最大的因素為錨桿環(huán)向間距,錨桿長度影響最小。由于本文研究的優(yōu)化方案目的是減少隧道的拱頂沉降,以拱頂沉降量為評價指標,優(yōu)化的目的為降低指標,故選擇最小評價指標對應(yīng)的水平因素組成優(yōu)化方案。

選擇3個因素列中,Ki對應(yīng)的最小水平因素,對比可知:

A因素列:K2

B因素列:K1

C因素列:K3

由此確定,優(yōu)化方案的組成因素為A2、B1、C3,即錨桿環(huán)向間距為0.8 m,錨桿縱向間距為0.8 m,錨桿長度為3.5 m。對該支護參數(shù)組合進行數(shù)值計算,豎向位移結(jié)果如圖6所示。

圖6 Ⅴ級圍巖隧道優(yōu)化方案豎向位移云圖

隧道施作優(yōu)化后的鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系,在拱頂處出現(xiàn)最大豎向位移,拱頂沉降為16.25 mm,小于正交表中的最優(yōu)解工況5得到的拱頂沉降量。

優(yōu)解方案不在正交表分析中的9個工況中,體現(xiàn)了正交試驗預(yù)見性特點的優(yōu)勢,由此反證了關(guān)于鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系支護參數(shù)的水平因素表的合理性。

2.2 Ⅳ級圍巖

針對Ⅳ級圍巖,結(jié)合模型計算和實際工程狀況,隧道錨桿環(huán)向布置間距僅設(shè)置1.0 m、1.2 m,隧道錨桿縱向布置間距僅設(shè)置1.0 m、1.2 m,設(shè)置錨桿設(shè)計長度為2.5 m、3.0 m。為保證正交試驗的有效性,使用隨機抽取的方式,確定各影響因素的位置,見表4。

表4 Ⅳ級圍巖支護結(jié)構(gòu)因素水平表(m)

根據(jù)因素和水平數(shù),設(shè)計獲得L4(23)正交試驗表,如表5所示。

表5 Ⅳ級圍巖支護參數(shù)正交表

基于表5各工況支護參數(shù),進行Ⅳ級圍巖條件下隧道開挖數(shù)值計算,分析隧道圍巖豎向位移變化情況。不同工況條件下,隧道的拱頂沉降量如下頁圖7所示。

(a)工況1

通過對圖7不同工況的拱頂位移情況進行分析可知,工況1和工況3條件下,隧道的拱頂沉降最小,為13.71 mm;工況2的拱頂沉降最大,為13.76 mm。提取各工況條件下,隧道上臺階周邊圍巖豎向位移數(shù)值,繪制圖8。

圖8 Ⅳ級圍巖隧道不同工況上臺階周邊圍巖豎向位移曲線圖(mm)

由圖8分析可知,在Ⅳ級圍巖隧道施作鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系,各工況下上臺階周邊圍巖均在拱頂處達到最大豎向位移。

據(jù)拱頂沉降數(shù)值得到正交試驗結(jié)果,如表6所示。

表6 Ⅳ級圍巖正交試驗結(jié)果分析表

對比分析極差大小,由于RB>RC=RA,證明在Ⅳ級圍巖條件下,對鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系隧道拱頂位移影響最大的因素為錨桿縱向間距,錨桿環(huán)向間距影響和錨桿長度影響程度基本一致,均小于錨桿縱向間距。對比3個因素列中,Ki對應(yīng)的最小水平因素:

A因素列:K2

B因素列:K1

C因素列:K1

由此確定,優(yōu)化方案的組成因素為A2、B1、C1,即錨桿環(huán)向間距為1.0 m,錨桿縱向間距為1.0 m,錨桿長度為3.0 m。對該支護參數(shù)組合進行數(shù)值計算,豎向位移結(jié)果如圖9所示。

圖9 Ⅳ級圍巖隧道優(yōu)化方案豎向位移云圖

由圖9可知,對支護參數(shù)進行優(yōu)化,隧道施作鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系后在拱頂處出現(xiàn)最大豎向位移,拱頂沉降為13.69 mm,小于正交表中的最優(yōu)解得到的拱頂沉降量。

對兩種圍巖情況進行分析,與Ⅳ級圍巖相比,對Ⅴ級圍巖隧道中進行鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系的優(yōu)化,變形控制效果提升更加明顯,證明鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系在圍巖條件差的軟巖隧道中更具適用性。

3 結(jié)語

本文針對鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系在軟巖公路隧道中應(yīng)用的適用性問題,結(jié)合正交試驗和數(shù)值模擬計算,提出了支護參數(shù)的優(yōu)化方案,結(jié)論如下:

(1)對于Ⅴ級圍巖隧道,鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系中對隧道拱頂沉降影響程度最高的支護參數(shù)為錨桿環(huán)向間距;在Ⅳ級圍巖隧道中,錨桿縱向間距對支護體系的變形控制效果影響最大。

(2)通過計算分析,Ⅴ級圍巖隧道中,鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系選用錨桿環(huán)向間距為0.8 m、錨桿縱向間距為0.8 m、錨桿長度為3.5 m支護效果最優(yōu),最小拱頂沉降量為16.25 mm;Ⅳ級圍巖隧道支護參數(shù)建議選用錨桿環(huán)向間距為1.0 m,錨桿縱向間距為1.0 m,錨桿長度為3.0 m,最小拱頂沉降量為13.69 mm。

(3)與Ⅳ級圍巖隧道相比,鋼帶-錨桿聯(lián)合支護體系優(yōu)化后應(yīng)用于Ⅴ級圍巖隧道中,變形控制能力提升幅度更大。