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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131.6～133.3m，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+665~K15+700段，断裂破碎带宽约25~45m，围岩等级大部分为Ⅳ、Ⅴ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γ变形模量泊松比内摩擦角粘聚力C（MPa）IV 20~231.3~60.3~0.3527~390.2~0.7V17~201~20.35~0.4520~270.05~0.2表2 支护结构物理力学参数材料重度γ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 Ⅳ级围岩喷射混凝土受力分析Ⅳ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 Ⅳ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 Ⅳ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 Ⅳ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 Ⅳ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（KN·m）轴力（KN）弯矩（KN·m）轴力（KN）弯矩（KN·m）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Ⅳ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