隧道洞口邊坡錨索框架梁支護研究

馬仁躍 MA Ren-yue；呂帥元 LV Shuai-yuan；劉琪 LIU Qi

（西藏大學工學院，拉薩 850000）

0 引言

隧道洞口邊坡支護措施主要有擋土墻、抗滑樁[1，2]和預應力錨索（桿）框架梁等。這些支護措施都有其優勢與局限，如擋土墻就比較適用于小型邊坡支檔工程，但對于大型或深層防護工程起到的作用就相形見絀了；抗滑樁雖適用于大型或深層防護工程，但其施工難度比較大以及對經濟的投入成本比較高；其中預應力錨索框架梁[3-5]相比較其他的支護措施有著適用性和經濟性等優點，因此其已經廣泛應用于現代隧道工程，其設計理論近年來雖然有了很大的發展，但尚未出現完備的理論體系。此外，框架梁、預應力錨索、巖土體的相互作用機理較為復雜，對框架梁的結構設計[6，7]只是采用一種近似的計算方法，對預應力錨索框架梁這種支護結構的受力機制、巖土體在支護下變形方式都沒有確切的理論支持。2015 年馬洪生[8-10]在文獻[8]中以剛性梁、長梁法和初參數法進行對錨索框架梁內力計算，然后把各種參數代入計算出在不同情況下的彎矩，地基反力以此來進行了參數影響研究；2010 年邵勇[11]在文獻[11]中通過FLAC 3D 軟件模擬分析出不同參數下的框架梁彎矩變化與錨索軸力分布，最后分析出最優的錨固參數組。以往學者很少有對隧道洞口邊坡預應力錨索框架梁支護情況下進行單因素變量分析不同參數下的坡面位移變化。基于上述原因，本文擬采用隧道洞口邊坡工程實例，利用FLAC-3D[12，13]軟件來模擬預應力錨框架梁結構，研究不同錨固力、錨固角度和錨固間距對支護效果的影響。

1 工程概況

某隧道2 號洞口邊坡，覆蓋層的土質為第四系殘破積粉質土，其主要成分為片麻巖，本隧道洞口邊坡所處區域的巖石破碎后呈碎石狀。邊坡高度為21～49m，邊坡以開挖為主，設置開挖臺階的方式為每7m 一個臺階，共設置7階。隧道洞口邊坡區域巖石破碎，風化嚴重，但滑動面有相對穩定的巖層，因此用預應力錨索框架梁設置坡面支護，錨索框架梁覆蓋面積約為4200m2。邊坡開挖坡率[14，15]為1∶0.75～1，預應力錨框架梁坡率布置應按照邊坡的坡率來布置，框架梁分級布置。預應力錨索框架梁具體布置信息見表1。

表1 預應力錨框架梁布置信息

2 模擬力學參數、本構模型的選取及邊界條件的設定

2.1 模擬力學參數

文章沒有對山巖做物理力學試驗，因此沒有確切的力學數據，本文研究是一般規律，因此根據隧道區域圍巖分類，可以選擇相應圍巖等級[16]的巖石力學參數作為數值模擬中相應的巖土體參數最終的參數設定見表2。

表2 邊坡巖石力學參數

2.2 本構模型的選取

錨索框架梁支護模擬分析重視屈服準則、強度參數，本構模型的選取相對不重要，摩爾庫倫本構模型在其三維空間內有不可導的尖點，這樣就會在數值模擬計算過程中遇到一定困難或疑惑，所以本文中采用德魯克一普拉格本構模型即D-P 準則，修改Mohr-Coulomb 屈服面，沒有尖點，更容易收斂。

2.3 邊界條件的設定

除了邊坡高度方向z 方向為自由方向外，所有模型其他方向邊界都被綁定。

3 不同錨固力下錨索框架梁模擬計算與分析

不同錨固力下通過FLAC 3D 模擬軟件選擇實際隧道洞口邊坡工程中合理錨固力參數進行單因素變量分析，最終模擬計算分析得出在不同錨固力下的坡面位移云圖，通過觀察各方向位移圖的變化趨勢來分析得出最優的支護錨固力參數。

3.1 計算模型

根據實地調查和測量分析，隧道洞口邊坡模型高度可以取H=70m。通過FLAC 3D 軟件把模型劃分38454 個網格、共有39657 個連接點。其它參數和錨索布置見圖1～圖3。

圖1 隧道洞口邊坡模型示意圖

圖2 錨索與框架梁布置圖

圖3 錨索布置示意圖

3.2 計算參數及邊界條件

模型的X 軸垂直于Y 軸方向，右側為正方向。Y 軸是邊坡體方向，內部是正數。Z 軸表示與XY 軸平面垂直的山的高度，頂部為正數。除了邊坡高度方向z 方向為自由方向外，所有模型都被綁定。此模擬使用D-P 準則。

在FLAC 3D 數值模擬中，由錨索末端、自由段和錨固段指定的參數根據該段的功能和設置而有不同的參數設置。錨索端參數通常設置為無窮大，以防止施加預應力時錨索端滑動。

預應力錨索框架梁的設置信息如表1 所示，模型力學參數取表2 中的參數，錨索框架梁計算參數如表3、表4所示。

表3 錨索計算參數

表4 框架梁計算參數

3.3 計算結果分析

在錨索框架梁加固的邊坡中分別取預應力為400kN、600kN、800kN、1000kN 四種不同情況進行模擬，模擬結果如圖4 所示。

圖4 邊坡加固各錨固力下位移圖

分析圖4 可知：

①錨固力的增加可以密切連接邊坡巖層，大大降低邊坡體的下降度，但如果預應力過大，則會產生相反的效果。

②在各錨力下的Z 方向位移云圖中，模型坡面頂部的部分位移向上移動，這意味著隨著錨固力的增加，坡面的壓縮量也會增加，邊坡頂部部位形成擠壓，邊坡頂部位移向上移動的情況下，坡腳有一定向上趨勢，隨著錨固力的增加，位移逐漸增加，山內位移大的地方隨著錨索的錨固力的增加，繼續向坡面延伸。

③在各錨固力下的Y 向位移云圖中，隨著錨固力的增加Y 向最大位移也隨之增加，坡腳也有一定向上移動的趨勢。

④當錨力為1000kN 時，可以清楚地看到大位移云圖延伸到斜坡上，這表明錨固力的增加分擔了山的部分重量，但提高了坡面破壞的概率。

由圖4 可知，邊坡加固后坡面位移明顯得到了有效的控制，且隨著錨固力的增強坡面的壓縮量與下滑情況都有明顯的改變，各位移情況如表5 所示。

表5 坡面位移

由以上位移云圖和表5 可知，當錨固力為600kN 和800kN 時Z 向位移幾乎相同，但隨著錨固力的增加，Y 向位移有明顯的增大，當錨固力大到一定程度時Y 向位移就會很大，這樣坡面就會發生破壞。因此，經綜合分析得出當錨固力為600kN 時，預應力錨索框架梁的支護效果最佳。

錨固力為1000kN 時的塑性云圖如圖5 所示。

圖5 1000kN 錨固力塑性區

分析圖5 可知：塑性區云圖可以反映巖體的破壞程度，當錨固力為1000kN 時整體坡面發生了剪切應力破壞，此時坡度可以主動破壞，產生相反的效果。

4 不同錨固角下錨索框架梁模擬計算與分析

本節取圖1 中的計算模型，預應力取600kN，將錨固角度分別設定為10°、20°、30°。依然通過FLAC 3D 進行單因素變量模擬分析其支護效果，本構模型依然選取D-P準則，模型的計算參數參考表3 與表4。最終的各錨固角示意圖如圖6 所示。

圖6 各錨固角示意圖

各錨固角下模擬結果如圖7～圖9 所示。

圖7 錨固角10°位移圖

圖8 錨固角20°位移圖

圖9 錨固角30°位移圖

對比分析圖7～圖9 可知：

①隨著錨固角度的增大，坡面壓縮量在減小，由此可得出錨固角度增大錨索框架梁的支護效果在減弱。

②隨著錨固角度的增大，Y 向位移在減小。錨固角度為10°時Z 向位移為正，錨固角度為20°和30°時Z 向位移為負，但位移由小到大再到小，由此可得20°為位移轉折點。這反映了錨固角度為20°時，錨索框架梁的支護效果最佳。

③從整體位移云圖中可以看出當錨固角度為30°時邊坡下滑的趨勢比較明顯。由此也證明了錨固角度為20°時，錨索框架梁支護效果最佳。

表6 是錨固角為10°、20°、30°時邊坡整體、Z 方向、Y方向的位移值。

表6 坡面位移值

結合各錨固角度下的位移云圖和表6 可分析得出，錨固角度為20°時，錨索框架梁的支護效果最佳。

5 不同錨固間距下錨索框架梁的模擬計算與分析

本節依然取圖1 中的計算模型，預應力取600kN，錨固角取20°。將錨索間距分別設定為2m、3m、4m，同上通過FLAC 3D 采取單因素變量模擬分析其支護效果，本構模型依然選取D-P 準則，模型的計算參數參考表3 與表4。最終的各錨索間距示意圖如圖10 所示。

圖10 各錨固間距示意圖

各錨固間距下模擬結果如圖11～圖13 所示。

圖11 2m 錨固間距位移圖

圖12 3m 錨固間距位移圖

圖13 4m 錨固間距位移圖

對比分析圖11～圖13 可知：

①隨著錨固間距增大，坡面壓縮量在減小。

②Y 向位移為負，隨著錨固間距的增大，Y 向位移在減小。

③隨著錨固間距的增大，Z 向位移在減小。

④從整體位移圖中可以看出，隨著錨固間距的增大，坡面位移范圍在減小。

錨固間距2m、3m、4m 時各錨索間距坡面位移值見表7。

表7 坡面位移值

由計算分析得出隨著錨索間距的增大，錨索框架梁的橫、縱梁彎矩值也隨之增大。錨索間距為2m 時，橫、縱梁彎矩值較大，其位移值也較大，這樣可能會導致錨索間相互影響較大，從而無法發揮較好的支護效果。錨索間距為4m 時，錨索軸力為最大，Z 向、Y 向位移最小，由此可得錨索間距為4m 時支護效果最好。

6 結果與討論

①文章在理論設計計算優化支護結構參數范圍內，只對在不同支護結構參數下利用FLAC 3D 軟件進行單因素變量模擬分析，而沒有考慮三種支護結構參數耦合情況。于是在假定每個支護結構參數都是相互獨立的情況下模擬分析得出錨固力、錨固角度和錨固間距分別為600kN、20°、4m 時，邊坡的支護效果最好。且在預應力錨索框架梁中因素影響程度為錨索間距大于錨固力和錨固角。②以往學者大多數都是對預應力錨索框架梁的結構設計進行研究，很少進行預應力錨索框架梁在隧道洞口邊坡支護方面的研究。即便有不少學者對預應力錨索框架梁進行支護參數優化，他們有很多是以經濟造價為支護參數優化設計的依據，也有許多學者只是通過計算錨索框架梁內力和觀察錨索框架梁變形特征來分析得出最優的支護參數組，但沒有與實際隧道洞口邊坡結合起來。文章把預應力錨索框架梁應用到實際隧道洞口邊坡上，這樣分析得出的最優支護結構參數組會變得更加實用。③由于錨固力增加、錨固角度減小、錨索間距減小、邊坡壓縮量會增加、但預應力增加，坡面會被主動破壞，錨固角度減小和錨索間距減小又會導致不符合支護要求，因此可以在邊坡支護中適當更改相應的參數值，達到抑制邊坡變形的效果。