宋 艳,朱珍德,张慧慧

(1.河海大学 岩土工程科学研究所,江苏 南京 210098;2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京 210098;3.上海建科工程咨询有限公司国际金融中心项目部,上海 200030)

深埋隧道喷射钢纤维混凝土支护的数值模拟

宋 艳1,2,朱珍德1,2,张慧慧3

(1.河海大学 岩土工程科学研究所,江苏 南京 210098;2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京 210098;3.上海建科工程咨询有限公司国际金融中心项目部,上海 200030)

为了研究钢纤维喷射混凝土在深埋隧道衬砌中的应用,了解钢纤维喷射混凝土在深井软岩隧道中的支护效果,对不同类型纤维及不同纤维含量下的钢纤维混凝土试件分别进行了抗压、劈裂抗拉、抗剪及弯曲韧性4种室内试验。在试验的基础上进行FLAC3D三维模拟。模拟结果可知:隧道经混凝土初砌后,剪切破坏区明显减少,钢纤维混凝土比普通混凝土有着更好的支护效果,顶底及两帮移近量较普通混凝土降低约7%。通过与现场实测数据的对比,证实该数值模拟结果与实测数据较为吻合,数值模拟的方法可为钢纤维混凝土在深埋隧道衬砌中的推广应用提供参考。

钢纤维混凝土;隧道衬砌;力学性能;数值模拟

0 引 言

钢纤维喷射混凝土是由均匀散布有短钢纤维的混凝土拌合料,借助压缩空气喷射成型的一种新型复合材料。与挂网喷射混凝土相比,钢纤维喷射混凝土有着优越的抗拉、抗剪、阻裂及高韧性等性能[1-4]。我国对钢纤维喷射混凝土的应用开始于20世纪80年代,目前的研究多集中于建筑物的修补与加固、边坡支护、城市及铁路等浅埋隧道等工程:张盛在分析配比试验强度的基础上,证实了钢纤维喷射混凝土应用于旧混凝土路面修补工程的可行性[5];孙役通过对钢纤维喷射混凝土的物理力学特性及堆石坝面板受力变形进行分析,为钢纤维喷射混凝土在面板堆石坝面板中的实际应用提出了建议方案[6];刘明高等结合钢纤维混凝土在公路隧道中的应用,说明钢纤维喷射混凝土可以很好地满足隧道新奥法的要求,是一种理想的支护材料[7]。

随着现代大型引水隧洞、深井巷道等对支护要求较高项目的不断开发,上述研究内容已略显不足,而目前钢纤喷射维混凝土支护用于700 m以上埋深隧道的报告几乎还没有。深埋隧道由于受到高温、高压、高孔隙压力的影响,其围岩变形呈现了浅部隧道所没有的一些特点,对深埋隧道喷射钢纤维混凝土进行支护机理、支护技术及支护效果等方面的研究已显得尤为重要。

笔者先从室内试验入手,研究了钢纤维喷射混凝土抗压、抗拉、抗剪及弯曲韧性等相关方面的力学性能,而后在试验的基础上对北方某一深埋800 m的软岩隧道喷射钢纤维混凝土进行了数值模拟,并将塑性区、隧道表面位移变化和衬砌最大应力场三个方面的模拟结果与素混凝土比照进行了系统的分析。

1 钢纤维喷射混凝土力学性能试验研究

1.1 原材料

水泥:32.5号普通硅酸盐水泥;骨料:中砂,细度模数为2.9;钢纤维:剪切波浪型和剪切平直型两种,均由嘉兴经纬钢纤维有限公司生产,等效直径为0.39 mm,长径比63,弹性模量220 MPa;速凝剂:RC减水剂;硅粉:平均粒径100 nm,代替质量10%的水泥。

1.2 试样制备

共需进行抗压强度、劈裂抗拉强度、抗剪强度和弯曲韧性4种力学性能试验。为使室内试验能反应钢纤维喷射混凝土的实际情况,试验采用喷射成型切割加工而成的试件,尺寸为100 mm×100 mm×100 mm及100 mm×100 mm×400 mm。试验仪器为WE-30型油压式万能试验机及CSS44100电子万能试验机。每种试验取4组试样,每组4个。试验配合比信息见表1。

表1 混凝土配合比

1.3 试验结果分析

1.3.1 抗压强度试验

两种类型纤维不同掺量下的试件抗压强度如图1所示,钢纤维的掺入,使混凝土的抗压强度有所提高,但提高幅度最高只有11%左右,所以钢纤维对混凝土的抗压强度提高是有限的。受压的试件中,纤维存在于混凝土基体内部仅充当集料的角色,抗压性能主要由混凝土基体决定,加上试件采用振捣成型,纤维多顺向排列,而又以侧面做为承压面,因此反映出受压强度的增强不明显的现象。

1.3.2 劈裂抗拉强度试验

图1 普通混凝土与钢纤维混凝土抗压强度对比图

图2为不同纤维掺量及不同类型钢纤维的混凝土劈裂抗拉强度对比图,由图2可知,钢纤维的掺入使混凝土的劈裂抗拉强度明显提高。纤维掺量为40 kg/m3时,劈裂抗拉强度提高幅度在40%左右;掺量在50 kg/m3时,劈裂抗拉强度提高60%左右;掺量为60 kg/m3,劈裂抗拉强度可提高70%左右。这是因为钢纤维的存在提高了混凝土的变形能力。混凝土基体开裂后,钢纤维与基体界面间存在良好的黏结强度,这将使钢纤维继续承受截面的拉力并使基体裂缝逐渐扩展,直至黏结力小于纤维所承受的拉力,纤维从基体中被拔出,试件破坏。纤维在被拔出的过程中吸收大量的能量而做功,使混凝土试块的抗拉强度得到较明显的提高。

图2 普通混凝土与钢纤维混凝土抗拉强度对比图

1.3.3 抗剪强度试验

图3为不同纤维掺量及类型的混凝土试件抗剪强度对比图。如图3所示,当立方米钢纤维含量由0 kg分别增加到40 kg、50 kg和60 kg时,抗剪强度有着不同程度的提高,可见钢纤维的存在显著地提高了混凝土的抗剪性能。

图3 普通混凝土与钢纤维混凝土抗剪强度对比图

1.3.4 弯曲韧性及初裂强度试验

利用ASTM-C1018弯曲韧性指数法[8-10]计算出不同试件所对应的初裂强度、弯曲韧性指数 ηC5、ηC10、ηC30及承载力变化系数,以理想弹塑性材料的承载力变化系数值1作为评价指标,计算结果见表2。

表2 钢纤维混凝土弯曲韧性指数

由表2可得出以下结论:

(1)掺杂了钢纤维的混凝土承载力变化系数较普通混凝土接近甚至超过理想弹塑性材料的值1,且纤维含量为60 kg/m3的钢纤维混凝土比40 kg/m3和50 kg/m3的更符合理想弹性材料的标准。

(2)在其他参数一样时,剪切波浪型钢纤维的增韧效果要略优于等量的剪切平直型钢纤维。

2 深井软岩隧道钢纤维喷射混凝土支护数值模拟

2.1 地质概况

北方某煤矿一水平隧道总长200 m,埋深800 m左右,属于深井开采。此隧道周围岩性以泥岩为主,含有砂岩、煤及灰岩等,顶板破碎,不稳定,采用锚喷支护(先喷后锚)。

2.2 模拟概况

利用FLAC3D软件对此隧道进行开挖初砌的三维有限元模拟,计算网格如图4,隧道模型选择直墙半圆拱,直墙高1 500 mm,圆拱半径 2 500 mm,巷道宽5 000 mm,采用摩尔弹塑性模型。衬砌支护材料分别选普通混凝土(弹性模量26GPa)和钢纤维混凝土(弹性模量27 GPa)两种,泊松比均为0.22,喷层厚度取150 mm,围岩参数见表3。

图4 计算网格图

表3 围岩参数

2.3 结果分析

2.3.1 隧道围岩塑性区分布特征

围岩塑性区分布是隧道可靠性状态的重要标志,同时也是认定围岩剪切和拉伸破坏形式的重要途径[11],图5反映了不同衬砌形式巷道围岩的塑性区分布特征。由图5可得以下结论:

(1)岩体在开挖前期主要发生了剪切破坏和拉伸破坏,随着应力二次重分布的进行,破坏区域重新具有承载能力,岩体拉伸破坏消失。

(2)对巷道进行初砌后,处于塑性状态的单元数量明显减少,尤其是隧道底部和拱顶部分,塑性区深度降低,这一变化对实际工程的支护方案设计影响较大。

图5 围岩塑性区分布特征图

(3)相同喷层厚度,钢纤维混凝土底部塑性区深度几乎为0,相比之下素混凝土支护在隧道底部某些地方剪切破坏区深度较高,由此可知,要达到相同的衬砌支护效果,使用钢纤维混凝土可减少衬砌厚度,降低工程造价。

2.3.2 隧道围岩位移变化特征

未支护的隧道开挖卸荷后,围岩向隧道内部发生回弹收敛,主要特点是拱顶下沉,拱侧壁发生内鼓,底板发生上鼓,其中最大位移发生在拱顶,对隧道进行素混凝土及钢纤维混凝土衬砌支护后最大回弹量均有所减小。

通过模拟,衬砌前隧道顶底相对位移及两帮的相对位移,在对隧道进行衬砌后,其位移变形有明显的减少:喷射素混凝土时顶底相对位移及两帮相对位移都有降低。由此可说明钢纤维混凝土支护相对于素混凝土支护可以更好地抑制围岩变形,一定程度上保证围岩的稳定性。

2.3.3 衬砌结构最大主应力分部特征

模拟结果说明隧道拱顶处衬砌沿隧道深度压应力与拉应力交替出现,以压应力为主,拱腹腰、和拱脚处则以受拉为主。素混凝土支护时,拱顶最大压应力达到9 GPa,两侧拉应力约为1 MPa,底部最大拉应力为5 MPa,出现在拱脚处,可见拱脚处存在着一定的应力集中现象,在施工中应注意予以避免;隧道喷射钢纤维混凝土,顶部受最大压应力降低至178MPa,虽然拱脚处最大拉应力也为5 MPa,但左右腰腹及底部拉应力范围有所减少。

出现上述现象的原因是,钢纤维喷射混凝土具较好的柔性,利于底层压力及围岩变形能的释放;其抗弯拉强度的提高可使支护结构的承载力整体增强,支护结构与围岩易连成一体,与围岩同步变形来保护和加固围岩,进一步提高了围岩整体性和稳定性。

2.4 工程实测对比

为了研究上述数值模拟结果的可靠性,现选取部分现场实测数据进行对比验证。

隧道周边收敛量指隧道表面两点间的距离变化,喷射钢纤维混凝土试验段顶底板和两帮宽的收敛观测值如图6所示。隧道表面位移观测值和数值模拟值的曲线变化规律相似,观测值较数值模拟值稍大。

于喷射钢纤维混凝土试验段某断面设置一观测站,该观测站设了5个观测点,如图7所示。观测主要内容包括隧道周边收敛量和混凝土喷层应力,所用仪器分别为CO-35型收敛仪、HGLZ-25型正弦式混凝土应力计。

施工285天时,监测到5个观测点的径向应力分布情况如图7所示,图中(+)表示为拉应力,(-)表示为压应力。由图7可知,喷射钢纤维混凝土隧道拱顶及右拱腰处径向应力为压应力,左拱腰及左右边墙处为拉应力。

图6 隧道表面收敛观测值曲线

图7 285天隧道表面应力图

从以上比较中可以看出,本文中数值模拟结果与现场实测结果较为吻合,由此证明此数值模拟结果是可靠的,对工程实际具有一定的参考价值。

3 结 论

通过对钢纤维混凝土的力学性能试验研究及深井软岩隧道衬砌的数值模拟结果分析,可得出以下结论:

(1)钢纤维独特的阻裂功能可以显著改善混凝土基体中封闭孔所带来的缺陷,将破坏方式由脆性转变为延性,使试件在基体开裂以后得以继续承受荷载。

(2)各项力学性能试验表明:钢纤维混凝土的抗拉强度比素混凝土最多可提高1.7倍、抗剪强度、抗弯强度最多可提高1.9倍及1.6倍,弯曲韧性也得到显著提高,但对抗压强度的增强效果是有限的;并且在一定范围内钢纤维混凝土的各项力学性能指标与纤维含量成正比,剪切波浪型钢纤维的增强效果要强于剪切平直型。

(3)数值模拟的结果表明,隧道经混凝土初砌后,塑性区的范围、顶底及两帮移近量明显减少,钢纤维混凝土对抑制隧道变形破坏有着更好的效果;对隧道喷射钢纤维混凝土支护,同样的受力条件下较普通混凝土的喷层厚度减少,因此可降低工程造价;钢纤维混凝土的薄层支护结构可与围岩紧密连成一体,既能对围岩变形起到一定的抑制作用,又可与围岩同步变形来保护和加固围岩,充分发挥围岩的自身承载力。

(4)将数值模拟结果与工程实际监测到的数据进行对比,结果表明本文的数值模拟结果具有一定的参考价值。

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Numerical Simulation for Sprayed Steel Fiber Concrete Supporting in Deep-buried Tunnel

SONG Yan1,2,ZHU Zhen-de1,2,ZHANG Hui-hui3
(1.Geotechnical Engineering Research Institute of Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China;2.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,
China;3.International Financial Center Project Department,Shanghai Jianke Engineering Consulting Co.,Ltd.,Shanghai200030,China)

In order to study the application of sprayed steel fiber concrete in deep-buried tunnel lining and understand its supporting effect in deep soft rock tunnel,4 kinds of indoor tests such as the compressive,splitting tensile and shear strength as well as flexural toughness are carried out for the steel fiber concrete specimens under different fiber types and different fiber contents,then,on the basis of the tests,the three dimensional simulation of FLAC3Dis made.The results show that after the lining of the tunnel,its shear failure area is reduced significantly,the supporting effect of the stee fiber concrete is better than that of common concrete,and the nearer amount in the top and bottom and two sides of the steel fiber concrete is reduced about 7%than that of common concrete.Through comparison,it is confirmed that the numerical simulation results are coincident with the measured data.The numerical simulation method here could provide some references for the popularization and application of the steel fiber concrete in deep-buried tunnel lining.

steel fiber concrete;tunnel lining;mechanical property;numerical simulation

U455.48+1

A

1672—1144(2013)02—0204—05

2012-09-11

2012-10-13

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2011CB013504);国家自然科学基金项目(41272329);深部岩土力学与地下工程国家重点实验室资助项目(SKLGDUEK0902)

宋 艳(1986—),女,江苏宿迁人,硕士研究生,研究方向为岩石力学。