大跨度隧道围岩-支护体系稳定性分析_cae_产品创新数字化(plm)_350

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1、大跨度隧道围岩-支护体系稳定性分析_CAE_产品创新数字化(PLM)0引言   隧道作为一种特殊而复杂的工程结构体系，其构筑过程中整个结构体系的力学特性和稳定性不仅受到岩石的生成条件和地质作用的影响，还受到隧道开挖方法、支护类型、支护时机、支护参数等因素的影响。目前，隧道设计、施工中主要参考工程类比法与数理初步分析法，通过施工过程中对围岩的实时监控，对监控数据进行分析和综合判断，进一步完善设计并采取相应的施工对策。而随着在复杂地质条件下大跨度公路隧洞修建的日趋增多，类比法的局限性越发明显。因此，结合

2、施工过程中对围岩的实时监控，应用有限元软件对围岩和支护体系的变形特性及稳定性进行分析，为隧道动态设计、合理施工提供技术支持显得尤为重要。   本文通过对环山坪隧道观音峡背斜轴部破碎带进行二维非线性黏弹性有限元数值模拟，研究破碎围岩在开挖面空间约束效应与施工时效作用下的围岩变形特性，结合现场施工监控量测成果，以收敛一约束原理为依据，分析了隧道施工中围岩及支护体系的稳定性。从而为施工了提供有效的技术支持。1工程概况   环山坪隧道是新建西部开发省际公路通道重庆绕城二环高速公路的关键性控制工程，为双线越岭

3、隧道，隧道全长2545m，设计为单向三车道，单洞路面宽度为15.36m，拱顶净高为8m，净空断面为124m2，是典型的长大公路隧道。1.1围岩特征   隧道横穿近南北走向的观音峡背斜山脉南段，洞轴线方向与越岭山脊走向近于直交，背斜轴部及近邻轴部有五条区域性走向逆冲断层。隧道洞身段围岩主要以(粉)砂岩、泥质岩夹砂岩、泥质灰岩、石灰岩、白云质灰岩夹岩溶角砾岩为主。洞身段一般埋深在100～150m，最大主应力值在10MPa以内。1.2隧道设计与施工   隧道按新奥法原理设计和施工，采用柔性支护体系结构的复

4、合式衬砌，即以锚杆、钢筋网、喷射混凝土、钢支架等为初期支护，二次衬砌采用添加抗裂防水膨胀剂的模筑混凝土或钢筋混凝土，并在两次衬砌之间铺设土工布及防水板。隧道V级围岩段施工开挖采用上下台阶开挖，上台阶开挖采用预留核心土施工法，每循环进尺≤2m，开挖预留变形量为15cm。施工中严格遵循了“弱爆破、短开挖、强支护、早封闭”的原则。2收敛-约束原理在判别隧道稳定性中的应用2.1收敛-约束原理简介图1收敛-约束原理示意图   收敛-约束法是伴随着喷锚等柔性支护的应用和新奥法的发展，将弹塑性理论和岩石力学应用到

5、地下工程中，进一步解释围岩和支护相互动态作用过程的一种理论和方法。收敛-约束原理可用图1说明，图中横坐标是隧道毛洞内壁的径向位移Ur，上半部的竖直坐标是洞室内壁在围岩原始应力作用下的径向压应力σr，也是支护施加于洞壁的反力Pi，二者大小相等，方向相反；下半部的竖直坐标为时间t。曲线①代表洞室侧壁径向位移Ur与侧壁径向压力σr的关系曲线。开挖后先经过一段直线段，即弹性变形阶段。释放应力增长到一定阶段，周边出现塑性变形，径向位移增长加快，线段进人曲线。塑性区域不断扩大。塑性区范围内出现松弛压力，曲线向上

6、翘曲。如果围岩的强度高，不产生塑性变形或不发生松弛应力，则不出现曲线和翘曲。曲线②是支护反力Pi与洞壁径向位移Ur的关系曲线。随着洞壁径向位移的增加，支护反力也随之增加。曲线②与曲线①的交点A表示支护反力与围岩作用力相平衡，洞壁位移不再发展。此时支护受到的平衡地压力为PiⅠ。曲线③采用的支护刚度过大，交点为B，支护所受的平衡地压力为PiⅡ。曲线④支护时间过晚，交点为C，此时支护将要承受较大的松弛地压力PiⅢ。图中曲线⑤是洞壁位移Ur随时间变化的曲线，可以通过监控量测得到，更为直观。其中第Ⅰ阶段是围岩

7、无约束自由变形阶段；第Ⅱ阶段初期支护开始起作用，洞壁位移减缓；第Ⅲ阶段从支护形成封闭结构开始，支护阻力增加使位移速度大大降低，线形趋于平缓，最后位移趋于稳定，不再增长，进入第Ⅳ阶段。第一次量测之前的位移值常常得不到，应设法弥补。如果支护安设时间过晚，则位移一时间曲线因受不到支护阻力将快速度增长，如曲线⑥。当位移超过A点的位移值后，由于坑壁松动范围的增加，很有可能坍塌或因坑壁压力加大而使支护破坏。曲线⑤可供施工人员判别围岩和支护变形是否趋于稳定，是一种非常重要的信息，也是新奥法一个重要的环节，可参照隧

8、道施工规范等相关资料结合实测资料统计所得2.2收敛-约束原理在判别隧道稳定性中的应用表1环山坪隧道周边允许位移相对值(％)   隧道开挖后的位移时间曲线(图1的下半部)，可以通过二维非线性黏弹性有限元数值模拟计算结合实际量测得到，它是围岩和支护力学行为信息的直接反映，可用位移值和位移速率判别围岩和支护体系的稳定状况。国内外的判别方法各有不同，有允许相对位移，位移速率限制等。本文以相对位移为判据，结合环山坪隧道地质特征，参考隧道施工规范等资料，在确定出了环山坪隧道周边允