软岩隧道预应力锚固系统中钢带的结构效应研究_李金津.pdf

第 43卷第 1期2023年 2月防灾减灾工程学报Journal of Disaster Prevention and Mitigation EngineeringVol.43 No.1Feb.2023软岩隧道预应力锚固系统中钢带的结构效应研究李金津1，汪波1，喻炜1，郭新新2（1.西南交通大学交通隧道教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059）摘要:预应力锚固系统为核心的变形主动控制技术为隧道挤压大变形的治理开辟了新途径，作为其中协同支护的钢带，其受力特性及结构效应未明确。鉴于此，在分析钢带主要结构形式的基础上，理论分析与数值仿真结合，开展了软岩隧道预应力锚固系统中钢带的结构效应研究。研究结果表明：基于单跨简支梁理论，得到随钢带惯性矩增大，围岩（跨中）挠度和最大主应力均呈现“先急后缓再平”的减小趋势，以此建议软岩隧道优先采用 W 形钢带、且惯性矩2.92E01cm4；通过建立“预应力锚杆+钢带”与围岩作用模型，发现较单一预应力锚杆支护，钢带协同预应力锚杆支护具有更优的围岩变形控制效果和更佳的围岩应力改善功效，同时，锚杆的受力减小，相互间也更趋均匀。关键词:软岩隧道；预应力锚杆；协同作用；钢带；惯性矩中图分类号:U45；X947 文献标识码:A 文章编号:16722132(2023)01004109Study on Structural Effect of Steel Belt of Prestressed Anchorage System for Soft Rock TunnelLI Jinjin1，WANG Bo1，YU Wei1，GUO Xinxin2(1.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Ministry of Education,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China；2.College of Environmental and Civil Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)Abstract:The active deformation-control technology with the prestressed anchorage system as the core has opened a new way for the treatment of large extrusion deformation.As the steel belt for the cooperative support，its mechanical characteristics and structural effects are not clear.In view of this，based on analyzing the main structural forms of the steel belt，the method of combining theoretical analysis and numerical simulation is used to study the structural effect of steel belt in the prestressed anchorage system of soft rock tunnel.The results show that：based on the single-span simply supported beam theory，it is obtained that with the increase of the moment of inertia of the steel belt，the deflection of the surrounding rock（mid-span）and the maximum principal stress show a decreasing trend of first sharp，then gentle and then flat；it is suggested that the W-shaped steel belt with the moment of inertia2.92E-01cm4should be preferred for soft rock tunnels；by establishing the interaction model of prestressed bolt+steel belt and surrounding rock，it is obtained that compared with the support of single prestressed bolt，the prestressed bolt support with the synergy of steel belt has better surroundDOI：10.13409/ki.jdpme.20220806001收稿日期：2022-08-06；修回日期：2022-09-18基金项目：国家自然科学基金项目（U2034205）、国家自然科学基金项目（51878571）资助作者简介：李金津（1997），男，硕士研究生。主要从事隧道与地下工程方面的研究。E-mail:*通讯作者：汪波（1975），男，教授，博导，博士。主要从事隧道与地下工程方面的研究。E-mail:41ing rock displacement control and surrounding rock stress improvement effects，and the bolt force is reduced and more uniform.The research results help deepen the understanding of the importance of steel belts in the prestressed anchorage system.Keywords:soft rock tunnel；prestressed bolt；synergy effect；steel belt；moment of inertia0 引 言伴随软岩隧道逐渐走入高应力挤压大变形领域，以预应力锚固系统为核心的变形主动控制技术正被广泛应用，诸如木寨岭公路隧道1、大草山公路隧道2和白石头铁路隧道3，在采用变形主动控制技术后，均取得了显著的围岩变形控制效果。与隧道常用全长黏结式锚杆不同，预应力锚固系统支护在突出预紧力对早期围岩性质改善的同时，也要求预应力能进行充分、有效的扩散，并尽可能使锚固系统形成一个有效的整体，以规避在应用过程中预应力锚杆/索被逐个击破4。故以变形主动控制理念为导向、应用于地下工程中的预应力锚固系统需采用钢带等护表构件，既便于更好地控制围岩变形，也利于提升锚固系统整体的稳定性57。钢带作为预应力锚固系统中的关键部件，对扩散锚杆/索预紧力与工作阻力、扩大锚杆/索作用范围、增强锚固系统整体支护能力具有重要作用8。现今学者们对钢带的研究主要包含两方面：其一为对钢带产品及结构形式的优化研究，如康红普等9采用有限元方法，在优化钢带结构参数基础上，研制了高强度、高可靠性的结构形式。武正权等10分析了 W 钢带成型时弯角处的应力应变、回弹、摩擦系数和辊压力等关键问题，为 W 钢带的成型提供了理论依据；其二为对钢带支护效应/效果的研究，如袁溢11依托具体巷道工程，利用数值模拟研究了钢带参数与支护效果间的联系；武华太12通过加大护表构件（含钢带）的护表面积及强度，优化了高预应力强力锚杆支护方案，有效控制了巷道围岩大变形。截至目前，钢带的研究集中于煤矿巷道领域，在断面更大的交通隧道施工支护中则未见应用（特指用于锚固系统）；同时，现阶段的钢带参数设计、取值无合理建议，致使产品种类多、结构参数变化显著。综上，本文将在剖析钢带主要形式基础上，运用理论分析与数值仿真相结合的手段，开展软岩隧道中的钢带结构效应研究，以期明确适宜的钢带形式，并提出合理参数取值。1 钢带支护简介钢带支护，是指在一般锚杆（索）支护的基础上，使用钢带将若干根锚杆（索）互相联系，以形成整体结构，增强对围岩的控制能力，故钢带支护能有效控制锚杆（索）间的岩体，特别适用软弱破碎围岩地下工程的支护11。钢带主要分矩形截面钢带和非矩形截面钢带，主要类型见表 1。与平钢带相比，M 型、W 型钢带具有相似的惯性矩较大、刚度大、抗弯性能较好、截面利用率较高等特性。但 M 形钢带采用高翼缘形截面设计，安装时与围岩的贴合度（有时）较差，即护顶面积小，故目前 W 钢带在工程中应用较多，如新汶矿区、淮南煤矿、浙赣铁路周里冲隧道、朔黄铁路寺铺尖隧道、木寨岭公路隧道（图 1）等，且于 2000 年制订了矿用 W 钢带标准（MT/T861-2000）。图 1钢带联合支护（木寨岭公路隧道）Fig.1Steel belt synergistic support in Muzhailing highway tunnel注：图中 W 型钢带后的管子为超前导管表 1 钢带分类Table 1 Classification of steel strips钢带类型矩形截面非矩形截面名称平钢带W 形钢带M 形钢带图示422 钢带参数对支护效果的影响2.1 基于单跨简支梁理论的钢带参数影响分析钢带对隧道围岩的作用可采用单跨简支梁理论进行分析，如图 2所示。将两根锚杆（索）间的钢带简化为简支梁，设钢带对围岩的支护力为 q，利用简支梁挠度公式，计算得到钢带中点挠度 fm：fm=5qb4384EI（1）式中，b 为锚杆（索）间距，m；E 为钢带弹模，Pa；I为钢带惯性矩，m4。设钢带的容许应力为 ，抗弯截面系数为 W，计算钢带的最大支护力 qmax：qmax=8Wb2（2）此时，钢带所能承受的最大挠度 fmax：fmax=WI5b248E=5b248Eymax（3）式中，ymax为梁下表面距其中性轴的最大距离，m。因此，从对隧道支护有利的角度而言，钢带的抗弯截面系数 W、容许应力 越大越好。2.2 基于数值仿真的钢带参数影响分析考虑软岩地下工程对钢带护表能力的需求，以及钢带生产工艺与施工便捷性等因素，应用于地 下 工 程 中 的 钢 带 宽 度 一 般 为 280 mm13。同时，据 2.1 节分析可知，钢带抗弯截面系数及其强度直接影响其支护性能，如此，进一步考虑到钢带为钢制产品、以 Q235 钢为主要基材等基本情况，钢带参数影响研究将在维持钢带宽度不变的基础上，通过调整厚度，继而实现惯性矩变形的方式开展。2.2.1“钢带围岩”模型的建立（1）计算模型（）软岩挤压变形隧道多以层状围岩为主，且出现大变形的岩层厚度一般在 110 cm 左右14，为更好地分析软岩大变形隧道中钢带支护的特性，数值分析中设定岩层厚度为 5 cm。（）考虑隧道工程中锚杆支护的间距一般为60150 cm，设定锚杆支护间距为 100 cm15；并在数值模型中将其简化为端点竖向位移约束。（）模型中钢带采用梁单元进行模拟，宽度 B固定为 280 mm，通过调整高度 H，实现支护刚度（惯性矩）的变化。（）模型边界条件：左右边界设置水平位移约束以考虑环向（其余）围岩的限制作用。上边界施加竖向荷载，通过 ABAQUS 采用静力通用分析步进行计算，计算收敛则认为围岩稳定，取保持围岩稳定可达到的最大值，5 000 Pa。据上述“（）（）”，建立钢带（梁单元）模型锚杆和钢带设置如图 3所示，锚杆端头范围（围岩深部 0.8 m，洞壁附近 0.6 m）采用 embedded 接触内置于围岩中。（2）计算参数相比一般隧道仿真模型尺寸，本次计算建立的模型尺寸小，为 5 cm100 cm，故虽是研究软岩大变形环境（主要出现在 V 级围岩），但考虑到岩体尺寸效应，计算中对围岩参数进行提升，按 IV 级围岩参数进行取值；钢带材料为 Q235钢；具体围岩与钢带的力学参数见表 2。2.2.2 计算工况的拟定模拟不同厚度（刚度）钢带对岩体的支护效果，以此实现对钢带的优化选型。据常用钢带惯性 矩、厚 度 等，并 进 行 适 当 扩 展，拟 定 计 算 工 况见表 3。图 2钢带的单跨简支梁支护机理Fig.2Supporting mechanism of single-span beam with steel belt图 3钢带支护模型图Fig.3Model with steel belt support432.2.3 计算结果与分析围岩变形控制效果和主应力分布特征是检验支护效果的关键指标。（1）围岩变形控制效果计算不同工况下围岩的跨中挠度，绘制其与钢带厚度、惯性矩的关系曲线如图 4 所示。由图 4可知：1）无钢带支护时，围岩下表面中间的位移（对应钢带跨中位置）达到 0.35 mm，而施加钢带支护（1 mm 厚 度）后，跨 中 位 移 即 降 至 0.2 mm，减 幅43%，显示钢带对锚杆间围岩位移具有很好的支护作用。2）随钢带厚度（惯性矩）增加，跨中位移逐渐减小，规律上表现为“先急后缓再平”，即当钢带厚度（惯性矩）较小时，增加其值，可显著提升对位移的支 护 作 用，而 当 钢 带 厚 度（惯 性 矩）大 于 一 定 量值后，提升效果将不甚明显。具体而言，可划分为 3 段：厚 度 15 mm（惯 性 矩 2.33E032.92E01 cm4）为快速阶段，提升钢带参数可取得显著的支护效果；厚度 550 mm（惯性矩 2.92E012.92E+02 cm4）为缓和阶段，提升钢带参数有较好的 支 护 效 果；厚 度 50 mm（惯 性 矩 2.92E+02 cm4）为平稳阶段，提升钢带参数对位移支护效果的影响有限。上述分析可看出，软岩隧道中钢带支护能取得良好的位移支护效用，且钢带厚度参数存在着优选区间，即厚度值应不小于 5 mm；同时，鉴于钢带在支护中（主要）是承弯构件，考虑到现场施工便捷性等需求，在保证其结构安全（受力小于材料强度）的前提下，一般维持其惯性矩（抗弯能力）不变，通过改变其截面形式，实现厚度及用材的减少，上述即是采用 W 形钢带替代平钢带的主要原因之一。为此，建议在选择 W 形钢带时，惯性矩应2.92E01 cm4。（2）围岩主应力分布特征计算各工况围岩应力云图（受拉为正，受压为负），如图 5所示。由图 5可知：1）无钢带支护时，S1应力（最大主应力）和 S3应力（最小主应力）云图显示，围岩中间下部区域和两端上部均出现了明显的拉应力区，最大量值分别为0.38 MPa和 0.63 MPa。显然在软岩条件下，无钢带护表支护时，岩体内部将出现明显的拉应力区，稳表 2 计算参数表Table 2 Calculation parameters材料围岩钢带弹性模量/GPa4210泊松比0.260.3内摩擦角/（）35黏聚力/kPa600表 3 计算工况表Table 3 Calculation condition工况编号Gk1Gk2Gk3Gk4Gk5Gk6Gk7Gk8Gk9Gk10Gk11Gk12Gk13Gk14Gk15Gk16厚度/mm013510152025303540506080100150钢带惯性矩/cm402.33E036.30E022.92E012.33E+007.88E+001.87E+013.65E+016.30E+011.00E+021.49E+022.92E+025.04E+021.19E+032.33E+037.88E+03图 4跨中挠度关系曲线Fig.4Curves of midspan deflection44定性欠佳。2）与无钢带支护（Gk1）相比较，施加钢带支护（Gk2、厚度 1 mm）后，受拉区域范围和量值均出现了明显减小。具体而言，中间下部区域和两端的围岩最大拉应力值分别降至 0.15 MPa和 0.53 MPa，减幅 61%和 16%。可知软岩环境下，钢带对（锚杆支护区域间）围岩具有明显的支护效用，能显著提升围岩稳定性。进一步，S3应力云图也显示了围岩的受压区域更趋均衡，云图的色差出现了减小，即应力集中现象减弱。3）随钢带厚度的提升，受拉区域范围和量值均进一步减小；其中，Gk4 工况的中间下部区域围岩已基本不受拉，而 Gk5工况两端上部围岩的拉应力值降至 0.41 MPa，较无钢带支护时，减幅超 35%。为详细分析钢带参数对围岩拉应力的影响，绘制 S1应力极值随钢带厚度及惯性矩变化曲线，如图 6所示。图 6可见，最大主应力（S1）极值也表现出了“先急后缓再平”的下降趋势，且显示钢带厚度不宜小于 5 mm，即 以 惯 性 矩 为 控 制 指 标 时，应 大 于2.92E01 cm4。3 软岩隧道钢带预应力锚固系统中钢带支护效用分析为研究钢带支护的效用性，本节将建立隧道围岩锚固模型，针对钢带协同预应力锚杆支护（简记为“预应力锚带支护”）和普通预应力锚杆支护（简记为“预应力锚杆支护”）的杆体受力特征以及围岩应力状态和变形特征等，进行比对分析，以此评测软岩隧道预应力锚固系统中钢带的支护效用。3.1 数值模型的建立3.1.1 数值模型为使计算结果更清晰简洁，采用二维平面模型，并不考虑喷射混凝土、钢架等支护措施。模型开挖断面以两车道隧道断面开挖面积为基准，采用等效面积法建立圆形开挖断面；同时，模拟中为分析钢带协调不同部位锚杆受力的功能，初始应力场将采用自重应力场，并通过在上边界施加荷载以模拟埋深。建立的最终计算模型如图 7 所示。其特点：（1）二维平面模型（纵向长度 1 m）；隧道开挖断图 5围岩主应力云图Fig.5Diagram of principal stress of surrounding rock图 6围岩最大主应力（S1）极值关系曲线Fig.6Extremumcurve of maximum principal stress of surrounding rock45面为圆形，半径 R=6 m；（2）考虑边界效应影响，模型尺寸为 80 m80 m，开挖断面位于正中；（3）初始地应力为自重应力场。3.1.2 计算参数鉴于大变形一般发生在高应力 V 级围岩隧道中，据 公路隧道设计规范16等相关规范中针对不同级别围岩的力学参数取值建议，并在调研多座软岩大变形隧道岩体特性的基础上，拟定本次计算的围岩参数见表 4。如此，据 公路工程地质勘察规范17，确定上边界施加荷载为 1.8 MPa，对应隧道开挖处最大主应力为 2.8 MPa，计算 Rc/max=5.352.92E+02 cm4为平稳阶段，提升钢带参数对围岩位移影响有限；建议所用 W 钢带惯性矩值应大于 2.92E01 cm4。（2）较单一预应力锚杆支护，软岩隧道中预应力锚带支护能够取得更佳的位移控制效果和应力改善效果：位移控制效果可提升 5.85%18.9%；围岩最大主应力（压应力）增幅为 20.3%。（3）较单一预应力锚杆支护，预应力锚带支护中锚杆受力下降，减小 5.452.3 MPa，减幅 1.6%13.2%，均值 19.5 MPa，平均减幅 5.5%；同时，各锚杆受力更趋均匀，显示在预应力锚固系统中，钢带具备协同支护作用，能够提升预应力锚固系统的整体稳定性。参考文献：1汪波，王振宇，郭新新，等.软岩隧道中基于快速预应力锚固支护的变形控制技术 J.中国公路学报，2021，34（3）：171-182.Wang B，Wang Z Y，Guo X X，et al.Deformation control technology based on fast-prestressed anchor support in soft rock tunnel J.China Journal of Highway and Transport，2021，34（3）：171-182.（in Chinese）2 李玉平，田世雄，胡玉琨，等.炭质板岩隧道大变形段“围压拱”支护方案 J.地下空间与工程学报，2020，16（增 1）：137-146.Li Y P，Tian S X，Hu Y K，et al.The bearing structure supporting scheme of the tunnel which passes through the carbonaceous slate large deformation section J.Chinese Journal of Underground Space and 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