隧道支护结构技术研究

徐余清

（修水县交通运输局，江西 修水 332400）

0 引言

对于隧道工程的长期探索研究过程中，发现对隧道工程的施工方法大致包括明挖法、盾构法及矿山法等，在20世纪50年代新奥法[1]的开挖隧道技术被提出，此方法是借鉴大量的工程经验，结合可靠的隧道设计理念，在施工监测的基础上，根据需求改善支护结构的参数及二次衬砌等支护措施，此外国内外学者对隧道的支护阻力、围岩变形与支护阻力及围岩与隧道支护结构之间的关系进行大量研究。本文通过分析衬砌支护结构，钢架支护结构和锚杆支护结构的特点，结合有限元软件对隧道支护结构技术进行研究。

1 隧道的支护结构

1.1 衬砌的支护结构

衬砌支护结构是一种在隧道壁上密贴的支护结构形式，当衬砌与围岩接触发生作用时，通过与松动去岩体的变形来协调，近似地可以将衬砌支护结构看作是一种拱形或者闭合环形的结构形式，该结构因为自身所具有的柔韧性及整体性，可以很好地改善围岩的应力状态[2]，将局部集中的应力释放出来，限制围岩的变形。

对于衬砌支护而言，它的主要作用是一种对闭合式整体起支承作用。待支护结构施工完成之后，衬砌将会对卸载后围岩的受力重新分配，改变其应力状态，类似一个带有刚度的膜，这个膜与隧道壁上的围岩来共同协调变形。对于衬砌所约束的岩体，其变形量的大小主要取决于隧道壁岩层和衬砌之间的相互作用力。对岩体来说，衬砌的支护可以阻止其发生位移。

1.2 钢架的支护结构

对于钢架支护结构而言，它的力学模型通常为拱形，因此在采用钢架作为支护结构时，应对岩体进行应力状态的分析、并对钢架的模型进行确定。合理地处理钢架与隧道壁的接头以及应将钢架支护结构与隧道壁岩体有接触的部位设置为刚性连接，因为这样有利于钢架支护整个结构的受力。但是在实际的工程中，通常这种完全的刚性比较难以实现，因此就会产生缝隙，现今对于这类缝隙通常采用木楔来进行填塞，对于钢架支护结构所能提供的最大支护阻力可通过下列式子计算。

式（1）中：Ast：表示钢架型钢的截面面积，Ist：表示钢架型钢断面的惯性矩，σst：表示钢架型钢的抗压强度，s：表示隧道纵向方向型钢的布置间距，h：表示钢架型钢的截面高度，ro：表示隧道的半径，tB：表示垫块的厚度，θ：表示两楔块之间的夹角。

对钢架支护结构而言，在支护的前期具有较高的强度及刚度，能够有效地控制围岩的纵向沉降，并且它可以与衬砌配合起来共同作用，可以有效地扩宽支护体系整体的承载范围；同时还可以配合隧道的断面进行灵活的布置，使施工安全有所保障。

1.3 锚杆的支护结构

图1为锚杆支护结构[3-5]的示意图。

图1 锚杆的支护结构示意图

从上图中可以发现，对锚杆支护而言，锚杆支护结构主要包括三部分，锚杆、锚固体及垫板。其中锚杆是支护结构的主体部分，它将承受由垫板所传的应力，同时还需要承担一部分荷载，对于锚杆支护结构来说，锚杆是把稳定岩体与不稳定岩体连接起来，因此锚杆起着至关重要的作用；而垫板的话主要是起到连接的作用，它主要承受隧道壁上围岩压力并将力转给锚杆杆体；而锚固体的话一般是设置在末端，通过注浆的方法将浆液注入围岩，起到密实围岩的作用，主要承担锚杆杆体传来的作用力。

2 FLAC3D有限元软件分析

因为计算机的发展及有限元软件的成熟，大多工程都结合有限元软件对隧道工程进行研究，其中FLAC3D软件是一款大型的有限元分析软件，在隧道工程中的研究越来越重要，本文主要通过FLAC3D建立三维隧道模型[6]，并模拟整体模型的开挖及支护的过程。

2.1 有限元模型的建立

本文以高55m×长65m×宽80m作为山体的模型，而隧道以高5.5m×宽15m为模型进行模拟。本次模拟所采用的支护结构形式为锚喷支护，及在锚杆的基础上再在隧道壁上喷射混凝土的支护结构，模型中混凝土采用壳单元进行模拟，锚杆采用Cable单元进行模拟。因此本次模拟所需设置的主要参数见表1所示。

表1 模型参数表

2.2 模拟结果分析

此次模拟主要是通过对比分析模拟为主，主要是对比分析隧道在无支护情况下的应力场及采用锚喷支护形式下的应力场，对模型中的应力结果做表格进行对比，结果如表2所示。

表2 应力结果对表

通过表2可以发现在隧道的顶板和底板处出现最小应力值，其中在顶板处的应力值约为0.6MPa，底板处的应力值约为0.8MPa，之所以出现在顶板及底板处，主要是由于拉应力的存在，使得隧道顶板处的围岩处于不良的工作环境，此处的岩体在受拉而发生破坏之后，隧道的表面出现大量的应力集中，进而导致岩体破碎失去承载能力，分析发现在隧道的墙角处将出现应力最大，其值大约为21MPa，在此应力下围岩别压碎。采用锚杆支护之后，其最小应力与最大应力的应力值均明显减小，其最大主应力值大约为15MPa，最小的应力值约为0.3MPa，并且整体的应力分布较为均匀，并且在底板的板脚处压应力集中现象将会消失。因此通过对比分析可知，对于隧道在顶部拉应力集中及底部压应力集中的部位应进行加强做支护。

3 结语

本文基于国内外的研究成果，通过分析衬砌支护结构，钢架支护结构和锚杆支护结构的特点，结合FLAC3D有限元软件对隧道支护结构技术进行研究，通过研究发现对于隧道有做支护与没有做支护的情况下，其应力差比较大，因此对于隧道工程应在隧道顶部拉应力集中及底部压应力集中的部位应进行加强做支护。本文仅对锚喷的支护结构形式进行模拟，对于其他的支护形式未进行详细研究，对隧道工程的支护形式还有待进一步进行研究。