天池坪隧道三台阶七步开挖法不同台阶高度对比.doc

天池坪隧道三台阶七步开挖法不同台阶高度对比新建兰渝铁路毛羽山隧道出口段，以炭质板岩为主，薄片薄层状，岩质极软，节理极发育。同时处于高地应力区，渗水量较大。支护后变形速率快，围岩变形大。受变形影响，初支混凝土开裂、剥落，钢拱架发生扭曲、变形。实际施工情况中，针对特殊围岩采取七步开挖法施工，但是实际七步开挖中采用台阶高度与标准七步开挖法存在差异。现针对以上情况采用MIDAS-GTS软件对上台阶高度为3.0m、3.5m、4.4m的三种工况进行比较。用MIDAS-GTS软件，建立80m80m的三种二维隧道开挖模型，具体开挖如下图所示。考虑自重地应力作用（模型上边界荷载q=gh，在本模型中h =360 m），考虑地应力释放系数，即对开挖每个部分开挖时释放60%，施做衬砌时释放20%，下一工序再释放10%。围岩参数：密度=2000 kg，弹性模量E =0.9 GPa，粘聚力C=0.2 MPa，内摩擦角=25，泊松比=0.37，侧压力系数K0 =1.5；衬砌参数：密度=2500 kg，弹性模量E =29 GPa，粘聚力C=2.5 MPa，内摩擦角=45，泊松比=0.2。围岩和衬砌都选用摩尔-库仑材料本构关系。在模拟过程中将钢拱架的弹模和混凝土弹模折合到一起得到衬砌材料的弹模E。 3.0m高度开挖图3.5m高度开挖图4.4m高度开挖图一.围岩收敛情况对比3.0m开挖竖向位移3.5m开挖竖向位移4.4m开挖竖向位移3.0m开挖水平位移3.5m开挖水平位移4.4m开挖水平位移 三种工况主要部位位移 单位：cm 部位 工况 拱顶左侧拱腰右侧拱腰左侧拱脚右侧拱脚竖直竖直水平竖直水平竖直水平竖直水平3.0m开挖-101.1-66.436.3-74.7-38.7-47.4-59.5-50.5-64.63.5m开挖-98.3-69.636.6-75.8-38.5-50.460.9-55.2-67.34.4m开挖-104.7-85.647.1-88.8-46.8-48.171.2-49.5-79.2 从以上位移云图发现，采用3.5m高度开挖最大竖向位移值最小，4.4m高度开挖最大竖向位移值最大；同时采用4.4m开挖最大水平位移值最大，3.5m开挖次之但与3.0m相差不大。由主要部位位移表对比发现，3.0m开挖与3.5m开挖的位移差别不大，但是位移最大值（拱顶沉降）却是3.5m开挖法最小。综合以上比较发现，采用3.5m高度开挖更有利于控制围岩收敛。二.衬砌应力对比3.0m开挖衬砌应力3.5m开挖衬砌应力4.4m开挖衬砌应力三种工况衬砌主要部位应力 单位：MPa 部位 工 况拱顶左侧拱腰右侧拱腰左侧拱脚右侧拱脚3.0m开挖-25.18-23.44-24.70-22.42-23.813.5m开挖-24.80-24.19-23.25-22.45-22.444.4m开挖-23.65-23.63-24.44-24.22-25.21 通过以上衬砌最大主应力值的对比发现，采用3.5m高度开挖衬砌拱顶所受的应力居中，4.4m开挖应力最小。但是在左、右侧拱脚部位却出现较大的应力值。综合对比3.5m开挖法较为有利。三. 围岩塑性应变对比3.0m开挖结束后围岩塑性区分布3.5m开挖结束后围岩塑性区分布4.4m开挖结束后围岩塑性区分布 围岩塑性区主要部位分布 单位：m 部位 工 况拱顶左侧拱脚右侧拱脚3.0m开挖6.854.074.663.5m开挖6.704.064.594.4m开挖7.224.184.57由以上围岩塑性区云图的塑性应变值对比发现，3.5m开挖的塑性应变值最小，同时该方法的围岩塑性区的分布范围也是最小，也就是说这种开挖方法最为有