小间距浅埋隧道支护设计探讨

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1、小间距浅埋隧道的支护设计探讨摘要：由于地下空间不断得到开发和利用，在地表浅层上，人们越来越多的遇到平行小间距土质隧道，例如地铁车站和铁区间隧道等等。一般隧道的相距很近，并且都是浅埋土质围岩，对于隧道中间岩柱的设计与支护来说，通常在设计和施工中需特别加以考虑。关键词：隧道衬砌受力拉轴力小间距平行土质1、慕尼黑地铁隧道的实验结果慕尼黑地铁隧道就是成功应用奥地利大型岩土工程有限元数值计算软final的一个很好的实例。通过实验的分析结果表明：如果先修建好一孔隧道，再修建另一孔隧道，第二孔隧道的修建会对第一孔隧道产生

2、一定的影响，尤其是相近的第一孔隧道一侧受到的影响会很大，在仰拱处容易出现拉应力；在两孔隧道同时交替掘进的情况下，隧道间相互影响较大，比如说第一孔隧道的底部和第二孔隧道的拱部这两个地方，很容易出现拉应力，因而会使总体衬砌受力比第一种开挖支护方式要小。在两种不同的开挖支护方式中，中间岩柱衬砌和两侧土体均处于一种受压的状态。像慕尼黑地铁u6段相距0.8米，还使两隧道的成功修建和正常运营，就是对是对此结论最好的成功验证。2、奥地利著名岩土数值有限元软件final所具有的特征一般情况下修建隧道间的相距很近，而且土质是

3、浅埋土质围岩，因而对隧道中间岩柱的支护与设计，在设计和施工中应需要特别考虑。本文采用了奥地利著名岩土数值有限元软件final作为计算分析平台。final软件在计算岩土与地下洞室数值计算中具有独特的优势。例如，在单元选择这一方面上，final有着4节点锚杆单元bolt和6节点衬砌单元beam6，还有一些其他的方面，比如三维衬砌三明治单元sandwich，三维摩擦单元cojo，节理单元joint等等；在洞室开挖仿真的方面上，和其他有限元数值计算软件相比较而言，能够更加灵活的模拟开挖应力释放、强度的增长速度以及衬

4、砌设置时间。3.有限元离散化模型的分析方法图1、2是采用的间距为1.0米，隧道埋深8.4米时，有限元分析的离散化模型，通过采用奥地利paramater小间距平行铁路隧道的几何尺寸，在有限元模型宽51.8米，高30.9米，单元数为1366个，节点2779个。采用平面应变问题进行有限元分析，一般只需要考虑初次衬砌的情况。例，衬砌采用6节点二次曲线梁单元beam6，围岩是采用6节点平面实体单元lst。4、关于相关参数计算方法和应力释放的模型分析图在初次衬砌时，应采用c20喷射混凝土，其泊松比ν=0.2，弹性模量e

5、=20mpa，厚度为30厘米。计算时可使用ⅳ类围岩计算参数的方法，关于参数的取值可以参阅以下某隧道断面的实测结果数据，如下图表一，数值仿真模拟在开挖每步的应力释放采用刚度折减法，其系数取值为0.4。图表1围岩计算参数隧道开挖数值模拟计算最关键的是应力释放。根据初始应力计算和施工的过程，图3就是应力释放计算图式。图3(a)为应力释放计算示意图。在使用有限元方法进行隧道开挖模拟的时侯，一般可以采用支撑荷载法或刚度折减法，本文计算采用是刚度折减法，其应力释放系数α=0.4；图3(b)是衬砌封闭后的计算示意图。图3

6、(a)应力释放(b)衬砌封闭5、开挖过程仿真步骤利用上下台阶法首先开挖支护左侧隧道，然后用同样的方式开挖右侧隧道，具体开挖步骤为：第一步，利用刚度折减法应力释放左侧隧道上台阶；第二步，在左侧隧道上台阶开挖并衬砌，衬砌的强度为最终强度的一半，同时应力释放其下台阶；第三步，开始挖左侧隧道下台阶并衬砌，使其衬砌强度为最终强度的一半，上台阶衬砌达到最终强度；第四步，使应力释放右侧隧道上台阶，左侧隧道下台阶隧道达到最终强度；第五步，开挖右侧隧道上台阶，隧道衬砌达到最终强度的一半，同时应力释放其下台阶；第六步，开始挖右

7、侧隧道下台阶，使隧道衬砌达到设计强度。（2）利用上下台阶法平行开挖两隧道。第一，开挖右侧隧道的上拱；第二,开挖左侧隧道的上拱;第三，开挖右侧隧道的下拱；第四，开挖左侧隧道的下拱。6、计算结果分析与讨论在这里我们只采用2种开挖支护方式进行计算，例如，隧道间距为1.0米的衬砌轴力图、围岩应力分布图和开挖并初次衬砌完成后的塑性区分布图。第一种：开挖支护方式衬砌轴力图衬砌轴力是荷步衬砌轴力图的描述。隧道开挖支护完成后的塑性区分布图，在左侧隧道的塑性区会大于右侧隧道，而隧道相邻部位会有较大范围塑性区，一般情况下围岩处

8、于受压状态，不会有塑性失稳的现象出现。第二种开挖支护方式荷步衬砌轴力图的描述，由于左侧隧道下半拱的开挖，使得右侧隧道上拱出现了拉力，开挖方式对于隧道的受力状态产生了较大的影响。而右侧隧道上半拱的拉力也转换为了压力。利用以上的第2种开挖支护的方式，分别对隧道间距为1.0米，2.0米，3.0米，5.0米的情况进行开挖衬砌完成后的计算结果，进行比较分析。所示的是分析比较结果的取值位置。c20喷射混凝土的设计强度[7]为