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