胡昆昆 趙亞偉 趙越超 劉振華

摘要：為了檢驗(yàn)拱腰部位錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的對(duì)黃土隧道沉降的作用，本文以蘭秦快速公路付家窯隧道為工程依托，利用MIDAS/GTS有限元分析軟件分兩種工況對(duì)該問題進(jìn)行探究，得出如下結(jié)論，對(duì)于淺埋隧道，在拱腰部設(shè)置錨桿支護(hù)，能夠降低隧道拱頂沉降，但效果不明顯，考慮到工程造價(jià)等問題，對(duì)于深埋黃土隧道不建議在拱腰處加錨桿。

關(guān)鍵詞：深埋黃土隧道；錨桿支護(hù)；拱腰；隧道沉降

一.依托工程背景

付家窯隧道是甘肅省內(nèi)第一座大斷面黃土隧道，隧道開挖寬度為17m，開挖高度為11m，最大埋深114米，最小埋深為14m，隧道全長(zhǎng)范圍內(nèi)為V級(jí)圍巖，隧道區(qū)域地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積黃土狀砂質(zhì)粉土，上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土及上更新統(tǒng)沖積黃土狀?yuàn)A細(xì)砂層

二.模型建立及分析

利用MIDAS/GTS有限元軟件，以依托工程為背景，對(duì)隧底拱腰未設(shè)置與設(shè)置錨桿支護(hù)處理的隧道施工過程分別進(jìn)行二維數(shù)值模擬，建立如圖1所示有限元分析模型，模型選取付家窯隧道洞身深埋段，根據(jù)圣維南原理，隧道開挖之后，在距隧道洞室中心點(diǎn)3～5倍洞徑范圍內(nèi)存在圍巖應(yīng)力應(yīng)變。3倍隧道開挖寬度處的應(yīng)力變化一般在10%以下，5倍隧道開挖寬度處的應(yīng)力變化一般在3%以下[40]。所以，對(duì)隧道的施工過程進(jìn)行二維數(shù)值模擬時(shí)，計(jì)算邊界的取值宜在隧洞3～5倍的開挖寬度范圍內(nèi)。付家窯隧道深埋段采用CD法開挖，開挖寬度約為17m，因此將二維模型地層寬度設(shè)為左右邊界距隧道中心各60m，下邊界距隧道開挖斷面底部60m，上邊界取至自由表面，由于模擬深埋斷面（YK0+785），結(jié)合隧道實(shí)際情況，上邊界取值約為距隧道拱頂68.5m，其中，表層約20m為自重濕陷性黃土。模型共劃分4898個(gè)單元、4315個(gè)節(jié)點(diǎn)：

由于蘭秦快速路付家窯隧道所處的地質(zhì)水文條件、氣候以及巖體本身所具有的特殊性，目前難以完全準(zhǔn)確的通過數(shù)值模擬反映現(xiàn)場(chǎng)隧道施工過程的實(shí)際情況，本文數(shù)值模擬時(shí)基于以下基本假定：

1.采用模型的巖體材料性質(zhì)均假定為均質(zhì)、各向同性；

2.模型采用較為適用巖土材料的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，支護(hù)結(jié)構(gòu)中的噴射混凝土和鎖腳錨桿均視為線彈性材料，不考慮非線性；

3.巖土體的初始應(yīng)力場(chǎng)僅考慮自重應(yīng)力；

4.超前小導(dǎo)管注漿的效果采用提高加固圈物理參數(shù)的方法來模擬其作用效果，并將鋼拱架及鋼筋網(wǎng)的支護(hù)作用換算給噴射混凝土；

5.不考慮偏壓及空間效應(yīng)，隧道的受力和變形為平面應(yīng)變問題。

圍巖及支護(hù)參數(shù)如表1.1所示

在隧道開挖之后，由于圍巖失去了原有的支撐，破壞了圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，圍巖將朝向隧道的內(nèi)部移動(dòng)。在隧道的洞周一定范圍內(nèi)會(huì)引起圍巖位移，將形成新的應(yīng)力場(chǎng)。通過MIDAS/GTS對(duì)隧道施工過程進(jìn)行數(shù)值分析過程中，可利用“激活”和“鈍化”功能對(duì)隧道的開挖及支護(hù)過程進(jìn)行模擬。

1.工況一：拱腰部設(shè)置有錨桿支護(hù)體系

工況一情況下，隧道開挖完成后圍巖變形如圖2所示，最大位移在拱頂處為17.8cm，拱腰部沉降較小為1cm左右，隧道施工完成后，主要的沉降在拱頂處：

2.工況二：拱腰部沒有設(shè)置錨桿支護(hù)體系

工況二情況下，拱腰部位不設(shè)置鎖腳錨管，隧道施工完成后豎向變形圖，如圖3所示，最大位移在拱頂處為18.2cm，沉降主要發(fā)生在拱頂。

通過對(duì)兩種工況下黃土隧道的施工完成后圍巖變形的分析得出如下結(jié)論：

三.結(jié)論

1.隧道的沉降主要發(fā)生在拱頂及其周圍，因此在施工過程中對(duì)拱頂沉降的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。拱腰部位加錨桿支護(hù)，對(duì)其拱頂沉降影響較小

2.拱腰部的豎向沉降較小，錨桿支護(hù)對(duì)其沉降的影響可以忽略。

對(duì)于黃土隧道，在拱腰部加錨桿支護(hù)對(duì)其拱頂下沉有一定的控制作用，對(duì)拱腰的影響可以忽略，因此對(duì)于黃土隧道來說，拱腰部設(shè)置錨桿支護(hù)的意義不大。

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作者簡(jiǎn)介：胡昆昆（1991—），男，漢族，河南平頂山人，學(xué)生，研究生在讀，單位：長(zhǎng)安大學(xué)，特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究方向：巖土與隧道工程。