0 引言
随着我国交通行业的迅速发展,越来越多的隧道穿过了黄土高原的山脉,使我国西部的交通发展迅速.系统锚杆作为新奥法施工的重要支护手段在黄土隧道施工中也得到了应用.锚杆由于其增强效应、悬吊效应、内压效应以及成拱效应四种加固效应可以提高围岩的力学性能,改变围岩的受力状态【1】.然而由于黄土土质疏松,遇水易湿陷的特点,工程界对于系统锚杆在黄土隧道中的锚固作用产生了诸多分歧【2】.而目前对于黄土隧道锚杆支护作用的研究也越来越多,如陈建勋等【3】对陕西省吴堡——子州高速公路上3座黄土隧道中的48根锚杆应力进行现场测试和统计分析,研究了黄土隧道锚杆受力与作用机制 张涛【4】通过数值模拟方法,研究了锁脚锚杆(管)的承载特性,分析了隧道锁脚锚杆(管)不同下插角、长度、打设位置及直径等对控制隧道变形的影响规律.
本文采用有限差分数值模拟软件ANSYS,拟通过建立格栅拱架+喷射混凝土+系统锚杆和格栅拱架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆两种工况的数值模型,用强度折减法确定不同工况下隧道的安全系数,从而定量的分析研究黄土隧道系统锚杆和锁脚锚杆的锚固效果.
1 隧道安全系数的计算
1.1 有限元强度折减法
有限元强度折减法是由郑颖人等【5】提出,最早用于边坡稳定性分析中,后来被广泛应用于隧道等结构的安全系数计算中.所谓强度折减,就是在理想弹塑性有限元计算中将边坡岩土体抗剪强度参数逐渐降低直到其达到破坏状态为止,此时的折减系数即为强度储备安全系数 .
1.2 有限元计算中隧道破坏的表现
隧道结构的破坏为失稳破坏,表现为拱顶悬垂与塌落失稳、侧壁突出与滑移失稳.通过有限元强度折减,隧道达到失稳破坏时,破坏面上的位移将发生突变,产生很大的且无限制的塑性流动,这个过程在有限元程序中模拟时表现为以任何收敛标准判断时计算都不收敛.
综上,本文中重点关注拱顶沉降值以及周边收敛值.
2 有限元模拟
2.1 建立模型
实践和理论分析证明,对于地下洞室开挖后的应力和应变,仅在洞室周围距洞室中心点3~5倍开挖宽度(或高度)的范围内存在实际影响.本文采用地层结构法建立二维模型并分析,围岩模型的长度为4倍的洞宽,高度为3倍的洞高,即围岩模型的宽度为100m,高度为60m.围岩采用Plane42单元模拟,锚杆采用Link单元模拟,喷射混凝土和钢拱架采用Beam3单元模拟.
由于软弱围岩不具有自承能力,故开挖前采用超前小导管注浆、管棚注浆、帷幕注浆等措施进行超前支护.在模拟时采用高峰等【6】提出的隧道围岩注浆加固效应模拟的改进方法,即在加固区域的每一个单元上都附加一个新的单元(新旧单元公用节点),并对新单元赋予一定的自重、弹性模量的力学参数,但无初始应力和应变.建立模型并划分网格后如图1所示.
图 1 划分网格后的模型
2.2 施工过程模拟
由于黄土隧道一般采用分部开挖,为了减少计算量本次只模拟上台阶开挖过程.因隧道属于深埋隧道且不考虑构造节理影响,故地应力按初始自重应力场考虑.模拟过程采用应力释放法,即先计算初始自重应力,并将其转化为等效节点荷载.将开挖后临空面上的等效节点荷载提取出来.根据赖金星等【7】所做的黄土连拱隧道支护结构力学特性现场试验,初期支护和二次衬砌的荷载分担比例为48%和52%,二次衬砌处于明显地承载状态.本文中由于岩性较差,围岩+初期支护的荷载分担比取较小值即40%,这样也可使计算偏于安全,同时也符合公路隧道设计细则【8】中给出的合荷载释放系数建议值.
施加荷载过程中,部分岩土体进入塑性状态后,由材料屈服引起的过量塑性应变以初应变的形式被转移并由整个体系中的所有单元共同承担.每一时步中,各单元与过量塑性应变相应的初应变均以等效节点力的形式起作用,并处理为再次计算时的节点附加荷载.围岩的工作状态采用德鲁克-普拉格准则【9】(简称D-P准则)检验.
为了简化计算本文只模拟初支的工况,分别用系数折减法计算施加格栅拱架+喷射混凝土+系统锚杆和施加格栅拱架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆两种情况下隧道的安全系数,并提取拱顶节点的竖向位移值以及拱脚节点的水平位移值进行分析.
3 模拟结果对比及分析
工况一为:格栅拱架+喷射混凝土+系统锚杆 工况二为:格栅拱架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆.模拟结果如表1所示:从表1可以看出:施加锁脚锚杆的效果好于系统锚杆.施加锁脚锚杆后结构的安全系数为1.44,比施加系统锚杆高0.4 拱顶的沉降比施加系统锚杆小18mm 拱脚的水平位移比施加系统锚杆小18mm.
表 1 安全系数及拱顶和拱脚位移值
2号节点(拱脚)Ux 0.00085 0.00067
4 结论
(1)本文从定量的角度分析黄土隧道系统锚杆和锁脚锚杆的锚固效果,发现黄土隧道中系统锚杆的效果不佳,可用锁脚锚杆代替.(2)在黄土隧道施工中,由于围岩本身因素和现场施工条件,系统锚杆的施工质量以及作用效果并不能保证,且耗时耗力,易造成不必要的浪费.因此锁脚锚杆(管)的作用则更加明显.
(3)本文对围岩的超前支护采取改进的提高围岩力学参数的方法,且并未分析这个过程对系统锚杆作用的影响.可能会导致误差.这一部分有待深入研究.
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