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(shè)置對(duì)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(hù)手段，對(duì)隧道圍巖進(jìn)行支護(hù)，以便控制圍巖的變形和松弛。因此，隧道襯砌的力學(xué)特性對(duì)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要。在探討圍巖、襯砌共同作用的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Midas-GTS建立了二維隧道襯砌模型，分析了其受力特性，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)60年代，奧地利工程師L.V.Rabcewicz在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的隧道設(shè)計(jì)施工方法，成為新奧地利隧道施工方法（New Austrian Tunneling Method），簡(jiǎn)稱為（NATM），新奧法目前已成為地下工程的主要設(shè)計(jì)施工方法之一[1]。

新奧法是應(yīng)用巖體力學(xué)原理，以維護(hù)和利用圍巖的自穩(wěn)能力為基礎(chǔ)，將錨桿和噴射混凝土作為主要支護(hù)手段，及時(shí)對(duì)隧道圍巖進(jìn)行支護(hù)，以便控制圍巖的變形與松弛，使圍巖成為支護(hù)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。

在實(shí)際施工過程中，常常采用二次支護(hù)，是因?yàn)槎词议_挖后，盡可能及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)和封閉，保證周邊不產(chǎn)生松動(dòng)和坍塌；塑性區(qū)內(nèi)巖體保持一定的強(qiáng)度，讓圍巖在有控制的條件下變形。通過圍巖變形監(jiān)測(cè)，掌握洞室周邊位移和巖體、支護(hù)變形情況，待位移和變形基本趨于穩(wěn)定時(shí)，再進(jìn)行二次支護(hù)。

二、 圍巖壓力的計(jì)算方法

（一）深埋地下工程圍巖壓力計(jì)算

圍巖壓力的計(jì)算對(duì)襯砌受力特點(diǎn)及襯砌力學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)有決定作用。地下工程圍巖壓力的確定，目前直接測(cè)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(guó)外常用普氏理論，即基于塌落拱的計(jì)算原理和K.Terzaghi理論；國(guó)內(nèi)常按照公路鐵路部門，推薦的圍巖壓力計(jì)算方法。

1）普氏理論[2]

作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上豎直均布?jí)毫?/p>

（1）

（2）

式中，為土體重度，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(jì)算的豎向壓力，對(duì)于軟土質(zhì)底層偏小，對(duì)于硬土質(zhì)和堅(jiān)硬層則偏大，一般適用于松散、破碎圍巖中。

2）K.Terzaghi理論

K.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(yīng)力的計(jì)算公式為

（3）

式中，為土體重度，為松動(dòng)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(dāng)取 為1.0時(shí)，

（5）

3）我國(guó)有關(guān)部門推薦方法[3]

我國(guó)公路鐵路部門，以工程模擬法為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)分析了我國(guó)數(shù)百公路鐵路隧道的塌方調(diào)查資料，統(tǒng)計(jì)出圍巖豎直均勻壓力的計(jì)算公式為

（6）

式中，為豎直均布?jí)毫?，S為圍巖級(jí)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(jì)算[4]

1）當(dāng)埋深H≤等效荷載高度時(shí)，側(cè)向壓力計(jì)算公式為

（7）

式中，為側(cè)向均布?jí)毫?，圍巖重度，H為隧道埋深，Ht為隧道高度，為計(jì)算摩擦角。

2）當(dāng)埋深H>等效荷載高度hq時(shí)，作用在支護(hù)上側(cè)壓力為（8）

因此，作用在支護(hù)上的側(cè)壓力為

（9）

（10）

側(cè)壓力視為均布應(yīng)力時(shí)為

（11）

三、工程概況

老虎嘴隧道位于新疆維吾爾自治區(qū)克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣境內(nèi)，本項(xiàng)目屬于G314線奧依塔克鎮(zhèn)—布倫口段公路建設(shè)項(xiàng)目第二合同段，隧道長(zhǎng)度2635.00m、起始端奧依塔克鎮(zhèn)，洞口樁號(hào)K1592+435，高程2468.863m；終點(diǎn)布倫口，洞口樁號(hào)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(jìn)口段為蓋孜河二級(jí)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(zhǎng)，山體表面風(fēng)化嚴(yán)重。隧道圍巖劃分為Ⅴ和Ⅳ兩個(gè)級(jí)別，其中Ⅴ級(jí)圍巖段長(zhǎng)度970.0m、占整個(gè)隧道長(zhǎng)度的36.81%；Ⅳ級(jí)圍巖段長(zhǎng)度為1665.0m，占整個(gè)圍巖長(zhǎng)度的63.19%。，整個(gè)項(xiàng)目段圍巖穩(wěn)定性較差，部分隧道洞口段全-強(qiáng)風(fēng)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(zāi)害。

模型選取隧道型式為二維襯砌，隧道埋深設(shè)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)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(yùn)用Midas-GTS幾何建模四、數(shù)值分析

分析過程結(jié)束后，進(jìn)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(yīng)力分布。該軟件提供的可視化的分析結(jié)果，可以仔細(xì)方便地查看和輸出結(jié)果。

（一）襯砌位移

根據(jù)顯示的結(jié)果可知，組合荷載下隧道襯砌在水平方向上的最大位移發(fā)生在隧道側(cè)壁位置，最大位移約為13.38mm；在豎直方向上的最大位移發(fā)生在隧道拱頂位置，最大位移約為43.75mm，方向向下；隧道底部發(fā)生向上的隆起變形，最大位移約為5.28mm，方向向上。組合荷載下隧道襯砌水平和豎直方向的位移。

（二） 襯砌內(nèi)力

組合荷載下隧道襯砌對(duì)Y方向的彎矩在襯砌側(cè)壁達(dá)到最大，最大絕對(duì)值彎矩為421.57KN？m，襯砌底部最大絕對(duì)值彎矩為352.24 KN？m。組合荷載下隧道襯砌My分布。

組合荷載下隧道襯砌Z方向軸力在襯砌底部左右對(duì)稱分布，最大絕對(duì)值軸力為648.67KN。X方向軸力在襯砌側(cè)壁底部達(dá)到最大，最大絕對(duì)值軸力為947.37KN，在尖角部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。Z和X方向上的應(yīng)力分布，與軸力分布規(guī)律相似。五、 結(jié)論

運(yùn)用Midas-GTS建立了二維隧道襯砌模型，在探討圍巖與襯砌相互作用的機(jī)理上，分析了隧道襯砌在圍巖壓力作用下的位移、內(nèi)力和應(yīng)力，得到了如下結(jié)論。

1）隧道二維襯砌在荷載作用下，最大水平位移發(fā)生在襯砌側(cè)壁部分，最大豎直位移發(fā)生在襯砌拱頂部位。

2）隧道二維襯砌在荷載作用下，在隧道截面有尖角或突變的部分容易發(fā)生應(yīng)力集中，因此在隧道截面形狀選區(qū)中，截面平滑的隧道（像圓形、馬蹄形等）受力較為均勻。

參考文獻(xiàn)：

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