隧道钢拱架支护受力特征分析

隧道钢拱架支护受力特征分析

1隧道钢拱架模拟的应用随着道路建设的快速发展，通往山区的隧道越来越多。隧道施工的地质条件复杂，影响因素多，导致坍塌变形等隧道灾害。因此，确定合理的维护措施和支出参数是隧道施工中必须解决的重要问题。钢拱架是隧道支护的重要结构,围岩荷载由钢拱架、喷射混凝土等共同承担。隧道钢拱架模拟主要有两种方法,即等效作用和力学模型。前者是根据抗压刚度相等的原则,把钢拱架的弹模折算到混凝土上,修改混凝土参数以替代钢拱架,该方法简单,但简化后不够精确,与实际情况也不相符;后者是采用梁单元模拟,该方法能比较符合实际的模拟钢拱架,可以分析不同型号的钢拱架在不同间距下的受力特征。目前钢拱架大多是采用等效法模拟,采用梁单元模拟基本也停留在二维阶段。笔者以在建的达(州)-陕(西)高速公路狮子寨隧道为依托,基于勘察资料和设计资料,采用FLAC2计算模型2.1模型的范围和范围考虑隧道开挖的影响范围,计算范围取2.2土岩弹塑型破坏准则该文数值计算选用摩尔-库仑模型。摩尔-库仑弹塑性模型作为一种传统的弹塑性力学本构模型得到了工程界的广泛应用,该破坏准则与岩石材料试验结果非常接近,其反映的岩土材料破坏特征与材料的实际破坏情况吻合。2.3隧道埋深变形边界模型四周施加水平位移边界,顶部应力边界,根据隧道埋深施加竖向应力0.8MPa,底部为固定垂直边界。在重力条件下计算至初始平衡,模拟原始地层应力。2.4支出结构的模拟方法初期支护和二衬采用实体单元模拟,钢拱架采用Beam单元模拟,锚杆采用Cable单元模拟。2.5隧道洞身高度隧道围岩强度参数参照JTG/TD70-2010《公路隧道设计细则》表6.4.2-1,隧道洞身段为Ⅳ级围岩,围岩强度参数指标见表1,锚杆弹性模量206×102.6计算方案采用FLAC3计算结果和分析3.1钢拱架间距及锚杆支护情况对支护效果的影响对钢拱架分别在0.4、0.6、…、1.2m的间距下进行了模拟,钢拱架的内力图如图1～6所示,由于篇幅有限,只列出拱架间距0.6、0.8m的内力图和变形图。从图1～6可以看出:钢拱架受力规律大致相同,顶部和底部受力相对较小,最大轴力在拱腰处,弯矩和剪力最大值均在拱脚处。钢拱架两侧变形相对较小,顶部和底部的变形较大,最大变形发生在拱顶,与围岩协调变形,0.6m间距相比0.8m间距下的钢拱架顶部变形减小1.3mm,减少了9.9%。钢拱架轴力监测曲线如图7所示,钢拱架支护后,围岩变形作用在钢拱架上,拱脚和边墙处的钢拱架立即开始承受围岩压力,边墙钢拱架轴力呈直线增加,拱脚钢拱架轴力呈抛物线增加。而拱顶钢拱架受顶部围岩竖向荷载作用,刚开始受拉,后来由于两侧围岩卸荷回弹,逐渐转成受压,轴力呈直线增加,一段时间后同时趋于稳定。表2为隧道在不同钢拱架间距下的模拟结果。从表2可以看出,钢拱架间距每减小0.2m,钢拱架最大轴力减少118～171kN,拱架最大弯矩减少0.17～4.57kN·m,且钢拱架间距越小,轴力、弯矩变化越明显。而锚杆轴力变化不大,在10.6～12.0kN之间,比较6和7两种支护方式,钢拱架在无锚杆支护下最大轴力753kN,弯矩50.7kN·m,比有锚杆支护仅增大了2.1kN和0.08kN·m,因此钢拱架是初期支护中主要的受力结构。钢拱架抗压承载力设计值为902.7kN,弯矩为55.5kN·m,剪力为520.2kN,因此当拱架间距在0.8m以下时,均满足承载力要求。3.2围岩支护效果分析如表2所示,在无支护的情况下,拱顶位移29.46mm,拱底位移26.26mm,钢拱架间距每减小0.2m,拱顶位移减少0.75～1.39mm,拱底位移减少0.77～1.64mm,钢拱架间距越小,位移变化越明显。比较6和7两种支护方式,拱顶和拱底在无锚杆支护下最大位移分别是11.96和22.97mm,比有锚杆支护仅增大了0.04和0.02mm,说明锚杆支护效果不明显,对控制围岩变形的作用低。隧道开挖后,围岩应力重分布且引起应力集中现象,造成围岩出现过大的塑性变形而破坏。围岩塑性屈服区分布见图8所示。可以看出隧道支护明显减少了拱顶和边墙围岩塑性区范围,同时在减小钢拱架支护间距的同时,围岩塑性区也在减小。在拱顶两侧围岩主要呈现剪切破坏,拱底中间呈拉破坏。4拱顶钢拱架间距(1)通过钢拱架的三维模拟,拱腰处钢拱架轴力最大,拱脚处弯矩和剪力最大。隧道开挖后,拱脚和边墙钢拱架立即开始承受围岩压力,边墙钢拱架轴力呈直线增加,拱脚钢拱架轴力呈抛物线增加。拱顶钢拱架轴力由受拉逐渐转成受压,以后轴力也呈直线增加。一段时间后同时趋于稳定。(2)钢拱架为主要的受力结构,对控制围岩变形效果明显,并且间距越小,效果越明显。对Ⅳ级围岩来说,当拱架间距在0.8m以下时,满足钢拱架的承载力要求和围岩的稳定性要求,因此,钢拱架间距0.8m为最优间距。(3)锚杆的