摘要：本文作者根據(jù)多年研究經(jīng)驗(yàn)，對黃土隧道錨桿受力與作用機(jī)制做具體分析，希望有一定參考意義。
引言：本文以青蘭高速公路善化隧道為依托工程，開展了較大規(guī)模的現(xiàn)場施工監(jiān)測，結(jié)合有限元數(shù)值模擬方法，分析研究了公路黃土隧道系統(tǒng)錨桿的力學(xué)特性。
1．依托工程概況
本文選取青蘭高速善化隧道同一位置的左、右線兩個斷面ZK126+70和YK126+70進(jìn)行了現(xiàn)場測試。善化隧道左線起點(diǎn)里程為ZK126+000.5，終點(diǎn)里程ZK127+666.5，隧道總長度1666m，右線起點(diǎn)里程為YK126+025，終點(diǎn)里程YK127+685，隧道總長1660m。隧道左右線間距為24m。Qml4沿線地層以粉砂性黃土、河流階地河河谷灘地為主，下伏粉砂巖、砂、泥巖等，巖性比較復(fù)雜洞口斷面的圍巖類別為Ⅴ級圍巖。
測試斷面為馬蹄形隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)由40cm復(fù)合式襯砌，初支采用C20噴射混凝土，二襯采用C25模筑鋼筋混凝土；邊墻砂漿錨桿采用長3.5m的22鋼筋，環(huán)縱向間距呈1.0×1.0m梅花形布置；型鋼鋼架支撐作為永久性支撐，縱距為0.8m，每型鋼鋼架兩拱腳處各設(shè)兩根長為3.0m的42鎖腳錨管。施工方法采用淺埋暗挖保留核心土的短臺階法，嚴(yán)格按照“管超前、少擾動、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、留核心、勤量測、早封閉”的施工原則進(jìn)行施工。
2．現(xiàn)場施工監(jiān)測及分析
2.1監(jiān)測內(nèi)容及方法
在隧道ZK126+70和YK126+70兩個斷面埋設(shè)了監(jiān)測元件，進(jìn)行有無系統(tǒng)錨桿的對比監(jiān)測。兩斷面距洞口70，埋深約60m，其中左線ZK126+70設(shè)置了系統(tǒng)錨桿，右線YK126+70無系統(tǒng)錨桿。監(jiān)測項(xiàng)目包括圍巖壓力、鋼拱架內(nèi)力和砂漿錨桿軸力。監(jiān)測元件均采用鋼弦式傳感器，此類元件具有較高的精度和可靠度，且受現(xiàn)場各種干擾小，可長期有效地工作。Y1～Y10表示壓力盒的埋設(shè)位置，WC1～WC6表示鋼筋計(jì)在外緣鋼拱架的埋設(shè)位置，NC1～NC6表示鋼筋計(jì)在內(nèi)緣鋼拱架的埋設(shè)位置，MG1～MG6表示鋼筋計(jì)在錨桿中的埋設(shè)位置。
2.2監(jiān)測結(jié)果及分析
2.2.1圍巖與初期支護(hù)間接觸壓力
整理各點(diǎn)所測得的圍巖壓力，繪制成壓力分布圖。
拱腳和仰拱受力偏大，應(yīng)作為設(shè)計(jì)控制部位。由于該測試斷面采用保留核心土的短臺階法施工，充分遵循了“早封閉，強(qiáng)支護(hù)”的原則，使土體的變形得到了及時有效的控制。左線的Y6、Y7壓力較大，對應(yīng)位置設(shè)置的系統(tǒng)錨桿MG1、MG3拉應(yīng)力也較大，而右線的Y6、Y7壓力卻明顯偏小，說明此時左線拱腰和拱腳的錨桿在圍巖的變形過程中，起到了有效的支承和約束作用。這也說明系統(tǒng)錨桿在維持隧道圍巖原有的應(yīng)力狀況，改善隧道圍巖應(yīng)力的分布以及抑止圍巖產(chǎn)生較大的、可能導(dǎo)致圍巖性質(zhì)惡化的松弛變形方面有一定作用。
2.2.2型鋼鋼架軸力
在鋼架的內(nèi)、外緣均布設(shè)鋼筋計(jì)，以測試鋼架內(nèi)、外兩側(cè)的受力情況。有系統(tǒng)錨桿支護(hù)的ZK126+70斷面中型鋼鋼架的鋼筋軸力整體要小于無系統(tǒng)錨桿的YK126+70斷面中鋼筋的軸力。內(nèi)緣的最大軸力值由26.40kN減小至19.96kN，減小了32.3%；內(nèi)緣的最小軸力值由16.34kN減小至11.09kN，減小了32.1%；在整個施工過程中，有錨桿作用條件下初期支護(hù)軸力最小的地方(WC4點(diǎn))只達(dá)到了無錨桿作用時初期支護(hù)軸力的31.5%。因此，在二次襯砌施做之前，系統(tǒng)錨桿和型鋼鋼架形成的聯(lián)合支襯體系相對無系統(tǒng)錨桿的支襯體系擁有更高的安全性能和更好的支護(hù)效果。
2.2.3型鋼鋼架彎矩
通過對型鋼鋼架內(nèi)外緣成對布置鋼筋計(jì)的應(yīng)力監(jiān)測，根據(jù)基本結(jié)構(gòu)力學(xué)受力轉(zhuǎn)換公式可計(jì)算拱架不同截面處的彎矩。
有無系統(tǒng)錨桿兩種工況初期支護(hù)對應(yīng)位置彎矩值相差較大，無系統(tǒng)錨桿時的彎矩值總體上明顯大于設(shè)置了系統(tǒng)錨桿時的彎矩值，尤其是拱腰位置。而兩種工況下最大的彎矩都出現(xiàn)在了拱腰位置，說明拱腰處是比較危險的部位，與拱腰處錨桿MG1受拉較大相對應(yīng)，這也再一次的印證了在拱腰和拱腳位置設(shè)置系統(tǒng)錨桿的必要性。
2.2.4錨桿軸力
整理各點(diǎn)所測得的錨桿軸力，繪制成軸力分布圖。
錨桿軸力的最大拉力值出現(xiàn)在拱腳位置(MG6-2)，同時拱腰位置的錨桿受拉也比較明顯(MG1-2)，說明鎖腳錨桿在整個系統(tǒng)錨桿中的作用很重要，在施工時要特別注意鎖腳位置錨桿的施工質(zhì)量。每根錨桿的最大軸力均位于靠近隧道面的測點(diǎn)，錨桿軸力普遍不大，邊墻及墻腳最大值小于10kN，拱腳最大值小于17kN。這主要是因?yàn)殄^桿加固對于提高圍巖自身的最大承載能力沒有明顯的效果，在初期支襯體系受力性能很好的情況下，型鋼鋼架和噴射混凝土承擔(dān)了大部分的圍巖壓力。但是，可以預(yù)見，當(dāng)圍巖產(chǎn)生塑性破壞，型鋼鋼架和噴射混凝土失效的瞬間，系統(tǒng)錨桿將凸顯其作用，錨固體通過錨桿的約束作用和抗剪作用，使塑性破壞后易于松動的破碎圍巖構(gòu)成具有一定承載力和適應(yīng)自身變形的錨固平衡拱，從而使支護(hù)體系重新回歸平衡狀態(tài)或者延緩結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的過程，為施工人員爭取逃生時間。
3．?dāng)?shù)值模擬分析
3.1有限元計(jì)算模型
根據(jù)隧道圍巖的工程地質(zhì)條件與力學(xué)性態(tài)，采用平面彈塑性有限元模型進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算中采用D-P屈服準(zhǔn)則。模型邊界計(jì)算范圍：在水平方向和隧道底部方向取4倍洞徑，上部取至原地面。計(jì)算時將不同地層的土體視為均質(zhì)介質(zhì)，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)都采用平面等參單元模擬。其中砂漿錨桿采用桿單元模擬，襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬，圍巖采用平面單位模擬。模型共劃分為1936個單元，1841個節(jié)點(diǎn)。隧道圍巖上部為新黃土，下部為古土壤，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。
3.2有限元計(jì)算結(jié)果及分析
3.2.1襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力
襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果，最大彎矩出現(xiàn)在拱腳和仰拱中心位置，說明仰拱和拱腳位置比較重要，應(yīng)作為設(shè)計(jì)控制部位，這也與實(shí)測的結(jié)果吻合。而軸力從拱頂沿著拱肩一直減小，到拱腰處最小，拱腳處又有所增加，整體上襯砌的上部軸力較大，下部軸力較小。
3.2.2錨桿軸力
錨桿軸力的計(jì)算結(jié)果，拱腳位置的錨桿受拉最大，拱腰位置的錨桿受力較小，整體上錨桿軸力普遍較小，并且沿著隧道洞徑向圍巖深部延伸，錨桿軸力逐漸減小。
3.2.3圍巖塑性區(qū)
圍巖塑性區(qū)的計(jì)算結(jié)果，為了便于分析系統(tǒng)錨桿的作用效果，分別對無襯砌無錨桿、無襯砌有錨桿和有襯砌有錨桿三種工況的塑性區(qū)進(jìn)行了計(jì)算對比，錨桿設(shè)置與實(shí)際施工相同。沒有襯砌和錨桿時，開挖后塑性區(qū)范圍最大，沿著拱肩直到拱腳位置，并且塑性應(yīng)變最大值分布在拱腰的上下兩側(cè)；沒有襯砌有錨桿時，圍巖的塑性應(yīng)變明顯得到了改善，塑性區(qū)相應(yīng)縮小，由于設(shè)置了系統(tǒng)錨桿的位置，最大的塑性應(yīng)變也移動到了拱腰的上部；有襯砌和錨桿時，整個洞周的塑性區(qū)都明顯縮小，只在拱腰到拱腳范圍少量分布，拱腰以上到拱頂塑性區(qū)消失，較大塑性應(yīng)變依舊處于拱腰附近，但是最大值只有前面兩種工況的50%，可見圍巖的受力得到明顯改善。
由此可見，有系統(tǒng)錨桿的支襯體系在控制圍巖變形，保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，確保施工安全方面具有不可替代的作用，錨桿和支襯體系兩者缺一不可。同時，系統(tǒng)錨桿在沒有襯砌的情況下，發(fā)揮了重要的支撐作用，這也再一次印證了實(shí)測的結(jié)果。
4結(jié)語
本文通過現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬對有無系統(tǒng)錨桿的不同工況進(jìn)行了對比分析，得出如下結(jié)論。
(1)通過有系統(tǒng)錨桿與無系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)對比，發(fā)現(xiàn)拱腰和拱腳的錨桿在圍巖的變形過程中，
起到了有效的支承和約束作用。有系統(tǒng)錨桿的左線拱架軸力明顯小于無系統(tǒng)錨桿的右線，左線的最大值和最小值比右線減小了約32%；拱架彎矩對比，左線的最大值約為右線最大值的61%，由此可見拱腰和拱腳的錨桿作用還是比較明顯的，建議設(shè)計(jì)施工中保留。
(2)系統(tǒng)錨桿和格柵拱架形成的聯(lián)合支襯體系在開挖后的最大塑性應(yīng)變只有單一支襯體系塑性應(yīng)變的50%，可見聯(lián)合支襯體系在控制圍巖變形，保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，確保施工安全方面具有不可替代的作用，兩者缺一不可。
(3)在數(shù)值模擬中，對沒有襯砌的模型進(jìn)行了有無系統(tǒng)錨桿的對比，發(fā)現(xiàn)模型在設(shè)置系統(tǒng)錨桿的部位塑性區(qū)明顯縮小，塑性應(yīng)變也只有無錨桿模型的一半?？梢灶A(yù)見，當(dāng)圍巖產(chǎn)生塑性破壞，格柵拱架和噴射混凝土失效的瞬間，系統(tǒng)錨桿將凸顯其作用。
(4)拱頂和拱肩位置襯砌承受較大的軸向壓力，但是彎矩很小，而拱腳和仰拱處承受較大的彎矩，而軸向壓力較小，因此可適當(dāng)調(diào)整混凝土厚度和格柵拱架的密度，不同部位進(jìn)行區(qū)別設(shè)計(jì)。
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