基于數(shù)值分析的隧道襯砌受力特性研究

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1、基于數(shù)值分析的隧道襯砌受力特性研究　　【摘要】隧道開挖過程中，襯砌的設置對保證隧道的穩(wěn)定性有至關(guān)重要的作用。在新奧法（NATM）隧道施工中，常將錨桿和噴射混凝土作為主要的支護手段，對隧道圍巖進行支護，以便控制圍巖的變形和松弛。因此，隧道襯砌的力學特性對隧道結(jié)構(gòu)設計非常重要。在探討圍巖、襯砌共同作用的基礎上，運用Midas-GTS建立了二維隧道襯砌模型，分析了其受力特性，對隧道結(jié)構(gòu)設計具有一定的參考意義。【關(guān)鍵詞】隧道開挖；襯砌；共同作用；受力特性一、引言20世紀60年代，奧地利工程師L.V.Rabcewicz在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎上，提出了一

2、種新的隧道設計施工方法，成為新奧地利隧道施工方法（NewAustrianTunnelingMethod），簡稱為（NATM），新奧法目前已成為地下工程的主要設計施工方法之一[1]。新奧法是應用巖體力學原理，以維護和利用圍巖的自穩(wěn)能力為基礎，將錨桿和噴射混凝土作為主要支護手段，及時對隧道圍巖進行支護，以便控制圍巖的變形與松弛，使圍巖成為支護體系的組成部分，形成了以錨桿、噴射混凝土和隧道圍巖三位一體的承載結(jié)構(gòu)，共同支撐山體的壓力。7在實際施工過程中，常常采用二次支護，是因為洞室開挖后，盡可能及時進行初期支護和封閉，保證周邊不產(chǎn)生松動和坍塌；塑性

3、區(qū)內(nèi)巖體保持一定的強度，讓圍巖在有控制的條件下變形。通過圍巖變形監(jiān)測，掌握洞室周邊位移和巖體、支護變形情況，待位移和變形基本趨于穩(wěn)定時，再進行二次支護。二、圍巖壓力的計算方法（一）深埋地下工程圍巖壓力計算圍巖壓力的計算對襯砌受力特點及襯砌力學參數(shù)的設計有決定作用。地下工程圍巖壓力的確定，目前直接測量法、工程模擬法和理論圍巖壓力估算法等。在圍巖壓力理論方面，國外常用普氏理論，即基于塌落拱的計算原理和K.Terzaghi理論；國內(nèi)常按照公路鐵路部門，推薦的圍巖壓力計算方法。1）普氏理論[2]作用在支護結(jié)構(gòu)上豎直均布壓力為（1）（2）式中，為土體

4、重度，為坑道高度，為水平均布圍巖壓力，為圍巖的似摩擦角。按照普氏理論計算的豎向壓力，對于軟土質(zhì)底層偏小，對于硬土質(zhì)和堅硬層則偏大，一般適用于松散、破碎圍巖中。2）K.Terzaghi理論7K.Terzaghi理論把隧道圍巖視為散粒體，坑道在開挖后上方圍巖形成卸落拱，由距地面深度為h的土層水平條帶的力的平衡條件列出微分方程，并由邊界條件解得在豎向壓應力的計算公式為（3）式中，為土體重度，為松動寬度之半，為側(cè)壓力系數(shù)，為圍巖似摩擦角，h為隧道埋深。隨著埋深h的增大，趨近于（4）當取為1.0時，（5）3）我國有關(guān)部門推薦方法[3]我國公路鐵路部門

5、，以工程模擬法為基礎，統(tǒng)計分析了我國數(shù)百公路鐵路隧道的塌方調(diào)查資料，統(tǒng)計出圍巖豎直均勻壓力的計算公式為（6）式中，為豎直均布壓力，S為圍巖級別，為圍巖重度，為寬度影響系數(shù)，的取值按照規(guī)范規(guī)定。（二）淺埋地下工程圍巖壓力計算[4]1）當埋深H≤等效荷載高度時，側(cè)向壓力計算公式為（7）式中，為側(cè)向均布壓力，圍巖重度，H為隧道埋深，Ht為隧道高度，為計算摩擦角。72）當埋深H>等效荷載高度hq時，作用在支護上側(cè)壓力為（8）因此，作用在支護上的側(cè)壓力為（9）（10）側(cè)壓力視為均布應力時為（11）三、工程概況老虎嘴隧道位于新疆維吾爾自治區(qū)克孜勒蘇柯爾

6、克孜自治州阿克陶縣境內(nèi)，本項目屬于G314線奧依塔克鎮(zhèn)―布倫口段公路建設項目第二合同段，隧道長度2635.00m、起始端奧依塔克鎮(zhèn)，洞口樁號K1592+435，高程2468.863m；終點布倫口，洞口樁號K1595+070，高程2544.338m。隧址區(qū)屬于侵蝕、剝蝕高山區(qū)，山體陡峭，隧道進口段為蓋孜河二級階地，出洞口段為小的洪積扇。隧址區(qū)地表有零星植被生長，山體表面風化嚴重。隧道圍巖劃分為Ⅴ和Ⅳ兩個級別，其中Ⅴ級圍巖段長度970.0m、占整個隧道長度的36.81%；Ⅳ級圍巖段長度為1665.0m，占整個圍巖長度的63.19%。，整個項目段

7、圍巖穩(wěn)定性較差，部分隧道洞口段全-強風化層厚度大。隧址區(qū)地形起伏大，溝壑縱橫，隧道洞口段存在淺埋、偏壓現(xiàn)象，且洞口段地質(zhì)條件差，大量切削山體易誘發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災害。7模型選取隧道型式為二維襯砌，隧道埋深設為3.5m，上覆土體重度為=20KN/m3，內(nèi)摩擦角為30°，土壓系數(shù)；噴射混凝土重度=25KN/m3，設計標準強度為=2.7×106KN/m3，彈性系數(shù)Ec=2.77×107KN/m3，泊松比取為0.18；隧道形狀采用3心圓隧道，R1=6.0m，R1=4.5m，∠A1=∠A2=60°。運用Midas-GTS幾何建模四、數(shù)值分析分析過程

8、結(jié)束后，進入Midas-GTS結(jié)果查詢表單，可查得隧道襯砌在自重荷載、豎直荷載水平荷載及組合荷載下襯砌的位移、內(nèi)力和應力分布。該軟件提供的可視化的分析結(jié)果，可以仔細方便地查看和輸