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公路隧道支护结构力学研究摘要：随着交通基础建设的发展，隧道在各级公路中出现的频率越来越多。隧道支护结构的力学特征直接影响到隧道的施工安全，支护结构不稳定可能导致隧道塌方灾害，造成人员伤亡、机械损坏、工期延误，形成不良的社会影响，所以研究隧道支护结构的稳定性是十分必要的。本文根据S320线耒阳至荫田公路改建工程株木山隧道的工程地质情况，通过数值模拟研究隧道开挖过程中支护结构的力学特征，对隧道支护结构的施工具有一定的指导意义。关键词：支护结构 力学特征 数值模拟引言随着交通基础建设的发展，隧道在各级公路中出现的频率越来越多。隧道支护结构的力学特征直接影响到隧道的施工安全，支护结构不稳定可能导致隧道塌方灾害，造成人员伤亡、机械损坏、工期延误，形成不良的社会影响，所以研究隧道支护结构的稳定性是十分必要的。近年来，国内许多专家学者对隧道的支护结构力学特征进行了研究，得到了显著的科研成果。俞琳（2005）研究了衬砌支护时间对衬砌受力状态的影响规律，分析衬砌与围岩之间的接触应力随时间的变化规律；郭小红（2007）根据锚杆承载拱理论分析了锚杆在支护结构中的作用效应，给出了系统锚杆承载力的计算公式；文竞舟（2011）运用弹性曲梁理论，通过围岩与喷射混凝土的接触应力推导求解衬初衬结构的内力，为隧道施工安全评估提高可靠的理论依据；贾剑青（2012）通过建立有限元数值分析模型，模拟了隧道支护结构的力学特征随掌子面推进的变化规律，分析了隧道开挖过程中支护结构的稳定性；张德华（2015）在考虑喷射混凝土强度时间硬化效应的基础上，研究了高地应力效应下软岩隧道支护结构的力学响应过程，提出适合大变形围岩隧道的合理支护形式；台启民（2016）研究了软弱围岩隧道施工中超前支护类型及参数，并给出了支护参数的上限值和下限值。本文结合S320线耒阳至荫田公路改建工程株木山隧道的工程地质情况，深入研究隧道支护结构的力学特征，采用数值模拟的方法模拟隧道开挖过程中支护结构的力学响应，其研究结果对隧道施工支护结构的选取具有一定的指导意义，确保施工过程的安全性。1工程背景S320线耒阳至荫田公路改建工程穿越株木山观音岭，观音岭为一南北走向的山体，最大高程约为190.6m，中线最大高程约183.0m。改建公路在此采用隧道形式穿越该山岭，株木山隧道里程桩号为K15+600-K15+840，中心里程为K15+720，全长为240m，设计高程约为131.6133.3m，隧道最大埋深约60m。隧道区内发育F3南北向逆断层，隧道断层破碎带主要分布在隧道洞身K15+665K15+700段，断裂破碎带宽约2545m，围岩等级大部分为、级，地下水较丰富，物理力学性质差。2支护结构数值模拟分析隧道支护结构可以帮助围岩达到稳定状态，确保隧道施工的安全性。因此，研究隧道支护结构的稳定性是十分重要的，支护结构的形式及支护参数应根据隧道工程围岩等级、水文地质条件及工程现场的施工条件来决定。本文模型中采用壳单元来模拟喷射混凝土及二次衬砌，采用杆单元来模拟锚杆，如图1所示。 喷射混凝土模型 锚杆模型二次衬砌模型图1 支护结构数值模型图根据我国公路隧道设计规范，围岩力学特性参数与支护结构力学参数具体见表1、表2：表1 各级围岩的物理力学指标标准值围岩级别重度变形模量泊松比内摩擦角粘聚力C（MPa）IV 20231.360.30.3527390.20.7V1720120.350.4520270.050.2表2 支护结构物理力学参数材料重度变形模量泊松比内摩擦角粘聚力C（MPa）喷射混凝土24220.2503.5二次衬砌25250.2504.02.1 级围岩喷射混凝土受力分析级围岩中对仅喷射混凝土、施加锚杆及喷射混凝土、喷锚支护及二次衬砌三种支护情况进行模拟，分析得出的喷射混凝土受力云图分别见图2、3、4。 a.弯矩图 b.轴力图图2 级围岩仅施加喷射混凝土时混凝土受力图 a.弯矩图 b.轴力图图3 级围岩施加喷射混凝土及锚杆时混凝土受力图 a.弯矩图 b.轴力图图4 级围岩施加喷射混凝土、锚杆及二次衬砌时混凝土受力图表3 级围岩不同支护措施下喷射混凝土轴力和弯矩的计算受力点仅喷射混凝土喷射混凝土和锚杆喷锚支护及二次衬砌轴力（KN）弯矩（KNm）轴力（KN）弯矩（KNm）轴力（KN）弯矩（KNm）拱顶-80-0.08-100-0.08-150-0.55拱肩1600.152000.123310.52拱腰-50-0.21-82-0.18-152-0.47拱脚-1590.56-2480.56-4182.82拱底-800.08-100-0.08-156-0.51从表3中可以看出，在级围岩中，随着支护结构的增加，喷射混凝土轴力不断增大，且二次衬砌施工后增大的幅度更加明显。从弯矩的变化规律来看，施加喷射混凝土和锚杆相对于仅喷射混凝土时弯矩变化不大，拱肩和拱腰处弯矩有小幅减少。而在二次衬砌施工后各部位的弯矩都有明显的增加。从以上变化规律可以得出，随着二次衬砌的施工，其对隧道围岩位移的限制作用在不断增大，从而支护结构的内力呈现增大的趋势。而锚杆的施工对于隧道喷射混凝土的弯矩影响不大，只在拱肩和拱腰处分担一部分弯矩，故支护结构的施工需要在喷锚支护后尽可能早的施工二次衬砌，使支护结构形成一个稳定的体系才能在隧道开挖时达到最佳的支护效果。2.2 级围岩锚杆受力分析本文数值模拟中锚杆纵向间距1.5m，环向间距1m，采用梅花形布置。施工阶段考虑了施加锚杆、施加锚杆及喷射混凝土、喷锚支护及二次衬砌施工三种工况，分析得出的锚杆受力云图分别见图5、6、7（图中黑色表示受到拉应力，红色表示受到压应力）。 图5 施加锚杆后锚杆轴力图 图6施加锚杆及喷射混凝土后锚杆轴力图图7 喷锚支护及二次衬砌施工后锚杆轴力图表4 级围岩不同施工阶段喷锚杆轴应力计算表施工阶段锚杆喷射混凝土和锚杆喷锚支护及二次衬砌最大轴应力（MPa）4.2864.1375.297从图5、6、7及表4可以看出，仅施加锚杆和施加锚杆和喷射混凝土两种情况下锚杆轴应力的最大值基本一致，而施加二次衬砌以后锚杆轴力明显增大。在隧道拱顶和拱肩处的锚杆均受拉应力，且拉应力呈现中间大两端小的分布特点。在拱腰位置处锚杆呈压应力状态。在支护过程中，为了能充分发挥锚杆的强度作用，获得经济合理的锚固效果，在选择锚杆时应该尽可能的使锚杆所受的拉应力值接近锚杆的抗拉强度。2.3 级围岩喷射混凝土受力分析级围岩中对仅喷射混凝土、施加锚杆及喷射混凝土、喷锚支护及二次衬砌施工三种支护情况进行模拟，分析得出的喷射混凝土受力云图分别见图8、9、10。 a.弯矩图 b.轴力图图8 级围岩仅施加喷射混凝土时混凝土受力图 a.弯矩图 b.轴力图图9 级围岩施加喷射混凝土及锚杆时混凝土受力图 a.弯矩图 b.轴力图图10 级围岩施加喷射混凝土、锚杆及二次衬砌时混凝土受力图表5 级围岩不同支护措施下喷射混凝土轴力和弯矩的计算受力点仅喷射混凝土喷射混凝土和锚杆喷锚支护及二次衬砌轴力（KN）弯矩（KNm）轴力（KN）弯矩（KNm）轴力（KN）弯矩（KNm）拱顶-120-0.12-152-0.12-220-0.96拱肩2400.233000.164980.78拱腰-75-0.32-123-0.27-228-0.7拱脚-2380.84-3720.84-6274.23拱底-1200.12-150-0.12-234-0.75从表5中可以看出，在级围岩中，喷射混凝土轴力不断增大，二次衬砌施工后增幅明显。从弯矩的变化规律来看，锚杆仅在拱肩和拱腰处分担了一部分弯矩，其他位置弯矩基本无变化，二次衬砌施工后拱脚位置处弯矩有明显的增加。2.4 级围岩锚杆受力分析锚杆数值模拟过程中施工阶段考虑了施加锚杆、施加锚杆及喷射混凝土、喷锚支护及二次衬砌施工三种工况，分析得出的锚杆受力云图分别见图11、12、13。 图11 施加锚杆后锚杆轴力图 图12施加锚杆及喷射混凝土后锚杆轴力图图13 喷锚支护及二次衬砌施工后锚杆轴力图表6 级围岩不同施工阶段喷锚杆轴应力计算表施工阶段锚杆喷射混凝土和锚杆喷锚支护及二次衬砌最大轴应力（MPa）14.867.667.60表6为V级围岩条件下采用不同支护措施得到的锚杆最大轴应力。从锚杆的受力情况看，可以发现级围岩条件下各种支护措施下的锚杆轴力都大幅增加。在施加喷射混凝土后锚杆最大轴力大大减小，二衬施工后锚杆最大轴力有所减小，但变化不大。3、结论本文根据S320线耒阳至荫田公路改建工程株木山隧道的工程地质情况，通过数值模拟研究隧道开挖过程中支护结构的力学特征，共得出以下两点结论：（1）在级围岩中，随着支护结构的增加，喷射混凝土轴力不断增大，且二次衬砌施工后增大的幅度更加明显。从弯矩的变化规律来看，施加喷射混凝土和锚杆相对于仅喷射混凝土时弯矩变化不大，拱肩和拱腰处弯矩有小幅减少。而在二次衬砌施工后各部位的弯矩都有明显的增加。锚杆受力方面，仅施加锚杆和施加锚杆和喷射混凝土两种情况下锚杆轴应力的最大值基本一致，而施加二次衬砌以后锚杆轴力明显增大。在隧道拱顶和拱肩处的锚杆均受拉应力，且拉应力呈现中间大两端小的分布特点。在拱腰位置处锚杆呈压应力状态。（2）在级围岩中，在级围岩中，喷射混凝土轴力不断增大，二次衬砌施工后增幅明显。从弯矩的变化规律来看，锚杆仅在拱肩和拱腰处分担了一部分弯矩，其他位置弯矩基本无变化，二次衬砌施工后拱脚位置处弯矩有明显的增加。锚杆受力方面，级围岩条件下各种支护措施下的锚杆轴力都大幅增加。在施加喷射混凝土后锚杆最大轴力大大减小，二衬施工后锚杆最大轴力有所减小，但变化不大。参考文献1 俞琳. 软岩隧道开挖与支护数值分析D. 大连理工大学, 2005.2 郭小红, 王梦恕. 隧道支护结构中锚杆的功效分析J. 岩土力学, 2007, 28(10):2234-2239.3 文竞舟, 张永兴, 王成. 基于接触应力反分析的隧道初期支护结构内力研究J.