2D-σ在隧道支护设计中的应用.pdf

第 3 6卷 第 2 9期 - 3 3 0 2 0 1 0年 1 0月 山 西 建 筑 s hanxi archi te n l v0 1 3 6 no 2 9 oc t 2 0 1 0 文章编号 ： 1 0 0 9 6 8 2 5 ( 2 0 1 0 ) 2 9 0 3 3 0 0 2 2 d 在 隧 道 支 护 设 计 中 的 应 用 邱 勇 杨立新 摘要： 针对重庆某隧道在采用工程类比法进行隧道支护设计后， 利用有限元程序， 对支护参数进行了验算， 得到各支护 参数在隧道支护中的受力变形性状， 从而为隧道的设计提供理论指导， 为工程的顺利进行提供保障。 关键词： 隧道， 支护参数， 数值计算 中图分类号 u4 5 5 7 1 文献标识码 ： a 随着隧道工程的发展以及众多经验的积累， 目前设计单位对 于新建的隧道工程在设计时大部分采用工程类 比法进行设计。 但由于地质条件的差异 ， 在隧道开挖的支护设计中， 往往存在着 各种不同的问题， 为进一步验证工程类比法设计的安全性， 文 中 针对重庆某隧道工程的支护设计， 利用 2 d - or 有限元程序进行 了 计算分析。由计算结果进一步分析了类 比设计在工程中的安全 性。 1 工程概况及地质条件 某隧道位于原重庆市城口一岚皋一级公路改建工程， 隧道全 长0 6 2 2 k m， 隧道左侧紧邻龙潭河， 属流水侵蚀型峡谷地貌 ， 其余 均为原始地形地貌。隧道主要穿越地层为奥陶系下统湄潭组 ( 0 】 ) ， 奥 陶系下统 红花园组 ( 01 h ) 和奥陶系下统 桐梓组 ( 0l ) ， 岩 性为粉砂岩 、 页岩 、 灰岩 ， 局部覆盖少量第 四系土层。 隧道衬砌内轮廓按建筑界限净宽 9 0it i ， 净高 5 0m拟定 ， 为 r=4 8 5 m的单心圆曲墙圆拱 ， 隧道净宽 9 1 8 1t i ， 净高6 6 m， 内 净空面积 5 3 5 5 m ， 内净空预留了内装饰净空 ， 同时还考虑了照 明、 消防、 交通工程等营运管理设施所需空间。 根据地面调查资料及钻探揭露， 隧道区穿越地层有： 1 ) 第四系全新统残积坡积层( ) ： 主要为粘土， 褐黄色、 紫 足施工要求。5 ) 岩溶段裸岩固结灌浆采用的施工程序及工艺是 合理的， 达到了设计预期 的目的。总体原则按环问分两序( 即单 数环为 i 序， 双数环为 序) 、 环内加密的次序进行施工， 通过加 密灌浆逐渐使被灌岩体密实， 满足规范和设计要求， 达到防渗目 的。6 ) 灌浆试验效果明显： 通过灌浆处理， 声波波速提高显著， 说 明灌浆对声波波速提高起到重要作用， 灌后岩体整体性 、 均质性 得到加强， 力学性质得到改善。 综合本次试验成果可知， 本次试验所采用的施工方法、 灌浆 工艺、 灌浆技术参数是合理的， 工程质量满足规范要求 ， 可作为后 红色， 软塑硬塑状， 含少量砂岩、 泥岩块碎石及角砾， 零星分布 于隧道区 。 2 ) 侏 罗系 中统 沙溪 庙组 上亚 组 ( j 2 ) ： 粉 砂质 泥岩 ： 紫红 色、 紫灰色， 粉砂质泥结构， 块状构造。含少量灰绿色砂质团块及 条带， 局部夹薄层泥质粉砂岩及长石石英透镜体。长石石英砂 岩 ： 灰 、 青灰 、 灰 白、 褐灰 等色 ， 中粒结构 ， 厚层 状构造 ， 主要 矿物成 分为长石， 石英， 岩屑， 云母次之， 钙泥质胶结， 具斜层理及水平层 理。局部含少量泥岩角砾及团块， 局部夹薄层粉砂质泥岩及泥质 粉砂岩。隧道区内， 侏罗系中统沙溪庙组上亚组为一套干燥炎 热气候条件下形成的内陆河湖相碎屑岩沉积建造， 故其岩性岩相 变化较大， 隧道区内砂岩厚度相对稳定 ， 区域上多为大的透镜体 或具有分叉、 变薄 、 尖灭及尖灭侧现的特点。 2 隧道结构支护参数 隧道结构支护参数按工程类 比结合本隧道工程地质条件拟 定， 再通过有限元方法对所拟定的支护参数进行验算( 见表 1 ) ， 以 确定参数的安全性及可行性。 3 数值模拟模型建立 为验证衬砌参数的可行性， 在数值计算中选取一段级围岩 深埋段， 水文地质条件一般。隧道衬砌结构与洞口加强段基本相 序大规模固结灌浆施工的依据。 参考文献 ： 1 d l t 5 1 5 8 2 0 0 1 ， 水工建筑物水泥灌浆施工技术要求 s 2 d l t 5 5 5 1 2 0 0 5 ， 水电水利钻孔压水试验规程 s 3 dl t 5 1 0 0 1 9 9 9 ， 水工混凝土外加剂技术规程 s 4 d l i “ 5 0 1 0 9 2 ， 水利水电工程物探规程 s 5 dl t 5 0 1 5 9 2 ， 水利水电工程钻探规程 s 6 g b 1 7 5 2 0 0 7 ， 通用硅酸盐水泥 s 7 j g j 6 5 培9 ， 混凝土拌合用水标准 s ana l y s i s o n t he c o ns t r u c t i o n o f a he a d r a c e t u nn e l ka r s t s e c t i o n ba r e r o c k c o n s o l i d a t i o n g r o u t i n g t e s t m i cha n g z he ng ab s t r a c t ：th i s a r t i c l e c a r r i e s o n c o mp l e t e a na l y s i s a n d e l a b o r a t io n o n a h e a d r a c e t u n n e l k a rst s e c t i o n b a r e r o c k con s o l i d a t i o n g r o u t i n g t e s t o f j i n p i n g s e c o n d a r y h y d r o p o we r s t a t io n ，v e r i f i es t h e f e a s i b i l i t y a n d r a t io n a l i t y o f con s t r u c t i o n me t h o d，p r o c e d u r e s a n d con s t r u c t i o n t e c h n o l o g y of h e a d r a e e t u n n e l k a r s t s e c t i o n b a r e r o c k con s o l i d a t io n g r o u t i ng ， wh i c h h a s p r o v i d e d r e l i a b l e t e c hn i c a l p a r a me t e r s a n d t ech n o l o g i c a l b a s i s f o r s u b s e q u e n t l a r g e - s c a l e c o n s o l i da t i o n g r o u t i ng ke y wo r d s ：g r o u t ing t e s t ，g r o u t i ng p r e s s u r e ，con s t r u c t i o n t echn o l o g y ，r esu l t s a n a l y s i s ，q u ali t y i n s p ect i o n 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 6 2 6 作者简介： 邱勇 ( 1 9 7 5 一) ， 男 ， 工程 师， 青海省公路科研勘测设计院 ， 青海 西宁8 1 0 0 0 1 杨立新 ( 1 9 7 5 一) ， 男 ， 工程师 ， 莱西市市政管理处 ， 山东 青 岛2 6 6 6 0 0 第 3 6卷 第 2 9期 2 0 1 0年 1 0月 邱勇等 ： 2 d - o 在隧道支护设计 中的应用 3 3 1 同。数值模拟模型如图 1 所示。围岩为级， 地质较好， 模型的 6 0 n l ， 竖向 6 0 r n 。 半宽和半高大致取为洞宽和洞高的 3倍 5倍 ， 本模型为横 向 模型计算中的主要参数 ： 衰 1 村砌支护参数总表 项 目 初期支护 二次衬砌 仰拱 衬砌类型 喷射混凝土 锚杆 混凝土 规格 厚度 c m 位置 规格 长度 m 间距 c m 钢筋网 刚架 规格 厚度 cm 洞 口 r 2 2 n迈式 自钻式 8 0 踟 2 5 2 5 加强段 c 2 0 2 5 拱墙 3 0 拱墙 c 2 5 4 5 4 5 中空注浆锚杆 梅花形布置 拱 、墙 r 2 2 n迈式自钻式 1 o 0 1 o 0 2 5 2 5 级围岩段 c 2 o 1 5 拱墙 3 0 拱墙 c 2 5 3 5 3 5 中空注浆锚杆 梅花形布置 拱 、墙 围岩 ： 变形 模量 e=2 9 5 51 0 t m2 ， 泊松 比 =0 3 ， 比重 y：2 2 t m3 ， 粘聚力 c =5 0 t m2 ， 摩擦角 =3 9 。 ； 锚杆： 长度 l= 3 1 t i ， 半径 r=1 1 1 0 _ 。 m， 弹性模量 e=2 1 1 0 t m2 ； 初期支 护 ： c 2 0混凝土： 弹性模量 e=2 8 1 0 t m 2 ， 泊松比 =0 2 ， 比 重 y =2 5 t m3 ， 粘聚力 f =2 2 0 t m 0 ， 摩擦角 声=5 3 。 ； 二次衬砌 ： c 2 5 混凝土： 弹性模量 e=2 9 5 1 0 6 t m 2 ， 截面面积 a=0 3 5 ， 截面惯距 ， =3 5 7 1 0 i 3 m4 。 考虑围岩虽属于级深埋地段， 但地面仍可能发生沉降， 故 围岩横向和底部视为固定约束， 地表为自由面。 4 计算结果分析 1 ) 锚杆受力。图2为锚杆轴力图， 从图2中可看出， 右侧拱角 锚杆轴力最大， 为 0 7 9 7 t ， 即 7 9 7 k n， 锚杆断面积 a=3 1 4 0 0 1 1 = 0 0 0 0 3 8 ， h r b 3 3 5钢筋的抗拉强度设计值为 1 8 8 mv a ， 其抗拉力大小为 1 8 8 0 0 0 0 3 8 =7 1 k n， 所以设计的锚杆具有足 够的安全度 ， 整个系统锚杆受力分布合理。 图 1 有 限元模型图 2 ) -次衬砌受力 、 变形分析。为进一步确定初期支护安全 性， 对初期支护的抗压强度进行验算。验算公式： k n b h 。 其中， k为安全系数， 根据荷载组合类型取值， 此处 k=2 0 ； n 为轴向力 ， 取最大值， 根据数值计算结果取 n=2 6 5 8 0 t ； j 为截 面纵向弯曲系数 ， 取 =1 ； r 。为 抗压 极 限强 度 ， 初 期 支护 采 用 c 2 0混凝土， r 。 =1 5 5 0 t _m2 ； b为截面宽度 ， 取每延米即b =1 m； h为截面高度， 即衬砌厚度 h=0 3 5 m； 为轴向力偏心影响系 数。验算看出： 初期支护实际承受压应力远小于极限抗压强度， 满足要求。 ， 3 ) 洞周水平相对收敛值验算。对计算结果位移进行分析， 发 现计算中的左侧最大位移为第 4 号 ， 第 1 0 号节点， 右侧位移最大者 为7 ， 8号节点， 考虑同一水平线 ， 取 7号节点的相对收敛值验算。 图 2 锚杆轴力 图( 单位 ： t ) 最 大 水 平 相 对收 敛 值 = = 0 0 0 0 3 1 1+(一0 0 0 0 3 1 1 5 9 7 4 35 9 7 4 3 1 0 0 =0 0 0 5 2 0 6 。 收敛值远小于级围岩埋深( 3 5 m) z b于5 0 m时的允许洞周 水平相对收敛值 0 1 5 0 5 ， 所以初期支护变形验算符合要求。 4 ) 最大主应力分析。由等值线图和色谱图可以看出， 应力在 侧墙 比较集中， 在施工过程中应注意侧墙的变形以及支护效果。 5 ) 宏观安全标准选取安全率分析。从安全率色谱图上可以 看出不稳定围岩范围较小， 主要集中在洞底 ， 侧墙的安全率也相 对较低 ， 施工过程中应当注意。 5 结论与建议 目前的隧道支护设计很多情况下是采用工程类比法进行， 很 少有进行计算分析的。但仅通过类比法设计， 对工程的安全性很 难把握， 同时也可能造成工程上的浪费。因此 ， 在今后的设计中， 通过工程类比进行设计后， 采用有 限元程序进行分析， 能对设计 的安全性与可靠性作进一步的了解， 避免工程事故的发生。 参考文献 ： 1 徐胜一 2 1 3 - o程序及其在隧道工程中的应用 j 岩石力学 与工程 学报 ， 1 9 9 8 。 1 7 ( 4 ) ： 4 7 5 4 7 7 2 任少强 大跨度双连拱公路 隧道数值模拟与围岩稳定分析 j 中国工程科学， 2 0 0 9 ， 1 1 ( 8 ) ： 5 8 6 3 3 梁旭黎， 李冬霞， 李 源 隧道围岩与支护结构相互作用的 弹塑性分析 j 山西建筑， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 6 ) ： 3 3 4 3 3 5 ap p l i c a t i o n o f 2 d- i n t u n n e l s u p p o r t i n g d e s i g n q i u y o n g y a n gl i - x i n ab s t r a c t ：as f o r a c h o n g q i n g t u n n e l a d o p t s e n g i n e e r i n g a n a l o g y