大斷面連拱隧道圍巖和中墻受力和變形規(guī)律研究

《大斷面連拱隧道圍巖和中墻受力和變形規(guī)律研究》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、大斷面連拱隧道圍巖和中墻受力和變形規(guī)律研究　　摘要文章針對(duì)某高速公路隧道的設(shè)計(jì)，運(yùn)用同濟(jì)曙光有限元分析軟件對(duì)大斷面連拱隧道三導(dǎo)洞法施工時(shí)圍巖和結(jié)構(gòu)的受力、變形規(guī)律進(jìn)行了分析。連拱隧道兩正洞開挖后，大斷面隧道圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，洞室呈更加扁平形狀，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利，中墻的受力和變形相當(dāng)復(fù)雜，這是連拱隧道施工的關(guān)鍵所在。關(guān)鍵詞連拱隧道圍巖中墻中圖分類號(hào)：U45文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1前言目前國內(nèi)已建成的連拱隧道多為兩車道隧道，三車道連拱隧道工程實(shí)例較少，可供借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)較少。三車道連拱隧道屬于大斷面隧道，不得不做成具有扁平形狀的拱形結(jié)構(gòu)

2、，開挖后的應(yīng)力重分布就會(huì)不同于普通洞室，圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，為此開挖時(shí)應(yīng)合理減少開挖步驟，避免開挖時(shí)造成銳角切口，盡可能地避免造成過多應(yīng)力集中?；谝陨峡紤]，且參照相似模型試驗(yàn)分析及文獻(xiàn)的研究成果，認(rèn)為采用三導(dǎo)洞法中的側(cè)壁導(dǎo)洞法較為合適。在此基礎(chǔ)上，對(duì)三車道連拱隧道該工法施工過程中圍巖和結(jié)構(gòu)的受力、變形規(guī)律進(jìn)行分析，從而為大斷面連拱隧道的設(shè)計(jì)和施工提供參考。7施工方法2.1隧道斷面形式該高速公路是國家高速公路7918網(wǎng)中“橫6”的組成部分，是河北省晉煤外運(yùn)的主要通道，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向六車道高速公路，其中該隧道段設(shè)計(jì)行車速度為80km/h

3、，隧道建筑限界為寬14m、凈高5m，采用復(fù)合式中墻結(jié)構(gòu)，中墻最小厚度為2.3m。2.2地質(zhì)概況路線位于河北省西南部太行山余脈，場地所處大地構(gòu)造單元屬“祁、呂、賀蘭”山字型構(gòu)造東翼邊緣弧東側(cè)的太行山麓背斜東翼，總體為一單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)構(gòu)造以新華夏構(gòu)造類型最為發(fā)育。隧道洞身穿越區(qū)地層主要為古生界寒武系中統(tǒng)張廈組，巖性主要為灰?guī)r，內(nèi)夾厚層泥灰?guī)r、塊狀灰?guī)r及白云巖，圍巖別為IV、V級(jí)。3、隧道施工的數(shù)值模擬3.1模擬施工方案7本隧道穿越山體正中部位，不存在偏壓情況，按照先左后右的順序進(jìn)行施工，主要工序?yàn)?6步：(SI)中導(dǎo)洞開挖；(S2)中導(dǎo)洞初

4、期支護(hù)；(S3)中墻澆筑；(S4)左、右導(dǎo)洞開挖；(S5)左、右導(dǎo)洞支護(hù)；(S6)左、右導(dǎo)洞仰拱澆筑；(S7)左洞拱部開挖；(S8)左洞拱部初期支護(hù)：(S9)左洞核心土開挖；(S10)左洞底部初期支護(hù)；(S11)左洞澆注二次襯砌和剩余仰拱部分；(S12)右洞拱部開挖；(S13)右洞拱部初期支護(hù)；(S14)右洞核心土開挖；(S15)右洞底部初期支護(hù)；(S16)右洞澆筑第二次襯砌和剩余仰拱部分。該連拱隧道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)：(1)初期支護(hù)體系由Φ22砂漿錨桿、Φ25鋼格柵、20cm厚C20噴混凝土構(gòu)成；(2)二次襯砌為50cm厚C25鋼筋混凝土澆

5、筑；(3)中隔墻為C30鋼筋混凝土；(4)仰拱為20cm厚的C20噴混凝土及50CM厚的C25鋼筋混凝土。3.2模擬計(jì)算模型根據(jù)地質(zhì)資料及隧道斷面尺寸，本文采用同濟(jì)曙光正分析軟件建立二維有限元計(jì)算模型。采用平面應(yīng)變彈塑性數(shù)值模擬，圍巖為彈塑性各向同性體，中墻為彈性各向同體。初期支護(hù)噴混凝土和二次初砌采用全長粘結(jié)式直梁模擬，錨桿采用全長粘結(jié)式桿模擬(注：初期次支護(hù)只考慮了噴混凝土和錨桿)。初期支護(hù)和二次襯砌之間的接觸面采用無厚度節(jié)理單元模擬。7模型計(jì)算范圍在水平方向取距隧道中心5倍單洞開挖寬度，下邊界取為洞高的5倍，上邊界取隧道的實(shí)際埋深

6、。模型的邊界條件采用施加約束的方法，在模型的底面加固定支座以約束所有自由度，在平行隧道走向的兩側(cè)施加滑動(dòng)支座，只約束水平方向的自由度而釋放垂直方向的自由度，以模擬巖體的沉降。圍巖應(yīng)力釋放率為：圍巖占40％，初期支護(hù)40％，二次襯砌20％。總共化分了8492個(gè)三角形單元和3517個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果分析4.1圍巖應(yīng)力場分析大斷面隧道開挖時(shí)圍巖集中現(xiàn)象明顯，圍巖應(yīng)力集中和圍巖屈服兩者是統(tǒng)一的，下面借助圍巖的屈服度來分析其應(yīng)力集中現(xiàn)象。(1)洞墻腳區(qū)在左洞上拱部開挖后屈服度就很大。且添色圖顯示：隨著施工的進(jìn)行，應(yīng)力集中區(qū)面積也在擴(kuò)大。兩洞拱腰區(qū)及

7、右洞墻腳區(qū)圍巖則在右洞拱部開挖后屈服度增大，說明正洞拱部開挖是影響隧道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵施工步，而且后進(jìn)洞施工對(duì)先進(jìn)洞圍巖穩(wěn)定影響明顯。(2)分析添色圖的變化可知，隨著施工的進(jìn)行，各應(yīng)力集中區(qū)的面積都有所擴(kuò)大。其中，右洞拱部開挖后，臨近中墻的左右洞拱腰處應(yīng)力集中區(qū)在中墻頂部逐漸形成連通區(qū)域，臨近中墻的左右洞墻腳處應(yīng)力集中區(qū)在中墻底部亦有連通趨勢。中墻頂部和底部的圍巖在施工過程中應(yīng)對(duì)此處圍巖進(jìn)行多次加固，以確保施工安全。4.2圍巖位移場分析位移場的分析主要考慮開挖后圍巖拱頂豎向位移及拱腰水平向收斂位移隨各施工步的變化情況。圖5為左右洞拱頂豎向

8、位移隨著施工進(jìn)程的變化圖。由圖可以看出：7(1)三導(dǎo)洞開挖后，兩洞拱頂沉降都很小，左洞為2.4mm，右洞為2.5mm，分別約占總沉降的9.6%和9.5%(2)左洞拱頂?shù)呢Q向沉降同樣主要集中于其拱部和核心土開