基于豎向加載法的隧道襯砌受力分析

鄭 曉 明

(山西省公路局臨汾分局，山西 臨汾 041000)

基于豎向加載法的隧道襯砌受力分析

鄭 曉 明

(山西省公路局臨汾分局，山西 臨汾 041000)

應(yīng)用有限元分析手段，采用地層結(jié)構(gòu)法和工程類比法的方法，參照某隧道工程實(shí)例，研究了不同初始地應(yīng)力對(duì)隧道襯砌受力的影響，指出在高地應(yīng)力地區(qū)，應(yīng)用地層結(jié)構(gòu)法加載初始地應(yīng)力可以較為準(zhǔn)確地模擬在相同地應(yīng)力條件下襯砌的受力情況。

有限元，地層結(jié)構(gòu)法，初始地應(yīng)力，襯砌，模擬

初始地應(yīng)力是巖體中實(shí)際蘊(yùn)藏的內(nèi)力，在巖體中進(jìn)行開(kāi)挖后，改變了巖體的初始地應(yīng)力狀態(tài)，使巖體應(yīng)力重新分布，原先處于彈性狀態(tài)的巖體可能因應(yīng)力重分布而進(jìn)入塑性狀態(tài)，原先低應(yīng)力狀態(tài)的巖體可能處于應(yīng)力狀態(tài)，甚至發(fā)生脆性破壞。對(duì)于地下洞室來(lái)講，洞室的開(kāi)挖引起圍巖的應(yīng)力和變形，這不僅會(huì)影響洞室本身的穩(wěn)定狀態(tài)，而且為了維持圍巖的穩(wěn)定，必須進(jìn)行人工支護(hù)。

故圍巖構(gòu)造應(yīng)力的作用方向和大小很難確定。應(yīng)用地層結(jié)構(gòu)法模擬隧道襯砌的受力時(shí)，初始地應(yīng)力的模擬往往存在較大誤差。本文采用地層自重加載和豎向壓力加載的方法針對(duì)地層初始地應(yīng)力進(jìn)行模擬。參照某隧道實(shí)際工程實(shí)例，對(duì)照分析結(jié)果。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

隧址區(qū)位于剝蝕中山地貌區(qū)，地面標(biāo)高1 036.0 m～2 074.0 m。山體地形總體較陡，呈中間高兩側(cè)低形。地層由第四系中上更新統(tǒng)黃土、粉質(zhì)粘土和中～上志留統(tǒng)灰?guī)r夾千枚巖、板巖、泥灰?guī)r組成。

1.2 隧道幾何要素

隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)采用規(guī)范推薦的標(biāo)準(zhǔn)斷面，即拱部采用R=543 cm半圓，邊墻為R=793 cm的大半徑圓弧，仰拱與邊墻間用半徑R=100 cm的小半徑圓弧連接，仰拱半徑R=1 500 cm。

1.3 隧道支撐方法

隧道采用新奧法施工，充分利用錨噴支護(hù)，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，對(duì)于圍巖性質(zhì)較差的緩解，加強(qiáng)超前支護(hù)的手段。支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 支護(hù)參數(shù)表

2 分析過(guò)程

隧道埋深100 m,圍巖選用強(qiáng)風(fēng)化巖，E=600 000 kN/m2,v=0.33,γ=18 kN/m3,c=20 kN/m2,φ=30°。采用Midas-GTS有限元分析軟件，初始地應(yīng)力采用地層結(jié)構(gòu)模型中的上覆巖層的自重+豎向局部荷載。應(yīng)力釋放是隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬計(jì)算的關(guān)鍵。用有限元方法分析隧道開(kāi)挖時(shí)，通常采用支撐荷載法或者剛度折減法。本文采用加支撐荷載的方法模擬應(yīng)力釋放。模型Ⅰ的初始應(yīng)力為100 m埋深的Ⅴ級(jí)圍巖產(chǎn)生的重力。模型Ⅱ的初始應(yīng)力為5 MPa,本文采用豎向加壓3.2 MPa的方法進(jìn)行模擬。

有限元分析中，隧道圍巖特性按照均質(zhì)彈塑性體考慮，假定材料力學(xué)特性遵循Druck-Prager屈服準(zhǔn)則。當(dāng)材料進(jìn)入塑性狀態(tài)后，其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系由塑性理論中的增量法求解。圍巖物理力學(xué)參數(shù)按公路設(shè)計(jì)規(guī)范Ⅴ級(jí)圍巖參數(shù)選取。襯砌材料視為彈性體。力學(xué)參數(shù)表見(jiàn)表2。

表2 材料參數(shù)表

3 分析結(jié)果

3.1 當(dāng)初始地應(yīng)力為1.8 MPa時(shí)

分析云圖見(jiàn)圖1，圖2。襯砌最大軸力為2 892.67 kN,錨桿最大軸力為242.198 kN。襯砌最大軸向應(yīng)力為1.44×104kN/m2。薄弱位置為仰拱部分。

表3 隧道受力表

初始地應(yīng)力/MPa錨桿Max軸力/kN錨桿Max軸應(yīng)力/kN·m-2襯砌Max彎矩/kN·m襯砌Max軸力/kN襯砌Max應(yīng)力/kN·m-21.8242.1984.23×105+86.2-95.7222892.671.44×1045691.691.208×106+212.8-261.948159.313.96×104

3.2 當(dāng)初始地應(yīng)力為5 MPa時(shí)

分析云圖見(jiàn)圖3，圖4。襯砌最大軸力為8 159.31 kN,錨桿最大軸力為691.69 kN。襯砌最大軸向應(yīng)力為3.96×104kN/m2。薄弱位置為仰拱部分。分析結(jié)果顯示，當(dāng)初始地應(yīng)力增大時(shí)，錨桿襯砌最大軸力，襯砌最大彎矩，錨桿襯砌最大軸向應(yīng)力均成線性增加。隧道受力情況見(jiàn)表3。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，C25混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcd=12.5 MPa。分析結(jié)果顯示，在強(qiáng)風(fēng)化圍巖埋深為100 m的情況下，二襯混凝土硬化后，在初始應(yīng)力為巖層自重條件下，一襯二襯共同承載的軸向應(yīng)力約為14 MPa。在初始應(yīng)力為5 MPa條件下，一襯二襯共同承載的軸向應(yīng)力約為39.6 MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)隧道開(kāi)裂情況和圍巖初始應(yīng)力的實(shí)測(cè)值對(duì)比可知模型所采用的初始應(yīng)力加載方法基本符合工程實(shí)際情況。工程實(shí)例中，隧道一襯二襯在初始應(yīng)力為5 MPa的圍巖中，嚴(yán)重變形，開(kāi)裂嚴(yán)重。在受力最大的仰拱處裂縫達(dá)20 cm。在圍巖初始應(yīng)力為1.8 MPa的圍巖中襯砌有輕微開(kāi)裂。

[1] JTG D70-2004,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 金艷麗,劉漢東.初始地應(yīng)力場(chǎng)反演及回歸分析方法研究[J].隧道建設(shè),2004(2)：92-94.

[3] 張志強(qiáng),關(guān)寶樹(shù).軟弱圍巖隧道在高地應(yīng)力條件下的變形規(guī)律研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2000(6)：88-89.

[4] 蔡景獻(xiàn),張繼奎,方俊波.高地應(yīng)力千枚巖大變形隧道支護(hù)參數(shù)試驗(yàn)研究[J].隧道建設(shè),2005(S1)：37-38.

[5] 李 鵬,林 志,張亞興.高地應(yīng)力區(qū)斷層帶隧道施工力學(xué)研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009(1)：66-68.

Analysis on tunnel masonry stress based on vertical loading method

ZHENG Xiao-ming

(ShanxiHighwayBureau,LinfenBranchBureau,Linfen041000,China)

Applying finite element analysis method, using stratum structure method and engineering analogy method, referring to the tunnel engineering example, the thesis studies the impact of different initial geostreess upon tunnel masonry stress, and finds out that: in high geostress region, applying stratum structure method to load initial geostress can more accurately simulate the masonry stress conditions under the same crustal stress.

finite element, stratum structure method, initial geostress, masonry, simulation

1009-6825(2014)11-0173-02

2014-01-21

鄭曉明(1979- )，男，工程師

U451.4

A