隧道围岩和衬砌相互作用分析

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1、隧道围岩与衬砌相互作用分析摘要：本文以集宁隧道为背景，对断裂褶皱构造不发育、受降雨影响大、施工变形大但新生代火山活动频繁，以基性喷发为特点的岩土隧道围岩衬砌进行数值分析，考虑隧道不平整表面和静止土压力系数，还有隧道衬砌和周围围岩之间的相对刚度。有效控制了隧道变形，保证了隧道施工安全，并积累了成功的施工经验。关键字：隧道；非光面开挖；围岩-衬砌相互作用abstract:thispaperanalyzedthefaultandfoldstructuresarenotdevelopedbytherainfall,constr

2、uctionoflargedeformation,butthenewgenerationofvolcanicactivity,characterizedbyeruptiongeotechnicaltunnelsurroundingrocklining,consideringthetunnelunsmoothsurfaceandatrestearthpressurecoefficient,aswellastherelativestiffnessbetweenthetunnelliningandthesurrounding

3、wallrock.effectivecontrolthetunneldeformationtoensurethesafetyofthetunnelconstruction,andhasaccumulatedsuccessfulexperienceinconstruction.keywords:tunnel;nonglossyexcavation;rock-lininginteraction中图分类号：u45文献标识码：a文章编号：0引言集宁隧道位于华北地台内蒙台隆的凉城断隆之中，断裂褶皱构造不发育，但新生代火山活动频繁

4、，以基性喷发为特点，形成了大面积的玄武岩覆盖层，具有典型的桌状地貌形态。通过进行数值分析来调查不平整的隧道开挖面对隧道喷射混凝土衬砌的影响的过程中，调查的控制参数包括开挖面的平整度、周围的土层强度、静止围岩土压力系数[1-4]。这个调查表明了这些参数决定了隧道喷射混凝土衬砌的结构。而且，在相同的土压力情况下，当开挖面越不平整，并且周围围岩刚度越小时，这种影响就越明显。隧道开挖面的不平整度会导致基坑支护产生高应力，就像喷射混凝土隧道衬砌的不平整度导致开挖面产生的高应力，并且也会导致衬砌结构的开裂和崩塌，尽管将重点放在了喷

5、射混凝土衬砌厚度，但是大部分衬砌设计是在隧道开挖面光滑的假设下进行的，这样的话，沿着隧道开挖面周边衬砌结构有一个相同的厚度。为了更好的理解隧道不平整开挖面对隧道喷射混凝土衬砌的影响，并且为了提供隧道衬砌设计的通用情况，这篇论文调查了喷射混凝土在不同隧道开挖面的岩石强度和地层压力状态情况下的反应，并要考虑到围岩与衬砌的相互作用。1隧道衬砌的设计假如隧道衬砌与围岩相互作用过程中，分布在衬砌上的压力及产生相应的弯曲变形可以忽略，那么就可以认为衬砌为柔性体；或者由地下结构微小相互作用而引起其结构不明显的弯曲，这样的情形下隧道衬

6、砌结构可以认为是刚形体。围岩结构性好而且隧洞直径大，这时可以而那位衬砌是柔性的，然而同样的衬砌在另一种情形即围岩性质差，洞径小可被认为是刚性的。柔性比是指围岩与衬砌的弯曲刚度比，弯曲刚度是在纯剪状态下由应变引起的抗力，具体受力形势如图1。隧道动静的变化率可能是围岩弯曲刚度变化因素。洞径变化由于在外力作用下围岩发生纯剪变形，如图1(a)所示，地下理想状态下圆形结构的直径变化公式如下：并且围岩抗弯刚度[5]的定义如下:图1纯剪切状态下的围岩和衬砌d是假想圆的直径，e是围岩的杨氏模量，m是围岩的泊松比。在纯剪切状态的相同外部

7、压力p作用下，圆形隧道衬砌的径向应变[6]如下式：考虑平面应变的衬砌的弯曲刚度定义如下：e1为衬砌的弹性模量，i1为隧道衬砌的断面单位轴线长度的惯性矩，r是衬砌半径，柔性比f通过围岩抗弯刚度与衬砌的抗弯刚度的比值得到的，定义如下：可压缩性是围岩和衬砌结构之间的拉伸刚度比，并且围岩与衬砌拉伸刚度比可通过作用相同的外部压力p来测量直径变化来获得。假想圆的衬砌围岩径向应变如下式：并且拉伸刚度[7]定义如下：d表示隧道直径，e表示围岩杨氏模量，v表示围岩泊松比。图2相同受压状态下的围岩和衬砌由于均匀的外部压力p，圆形隧道衬砌径

8、向应变右下是给出：并且在平变应变下隧道衬砌拉伸刚度定义如下：e1为衬砌弹性模量，r和t分别为衬砌半径和厚度。压缩比c通过围岩拉伸刚度与衬砌拉伸刚度的比值得出：隧道的衬砌从安全性和稳定性都能抵抗外荷载多产生的推力和弯矩。由于围岩与衬砌之间的相互作用，衬砌的推力和力矩将受到压缩比和挠曲比的影响。在一定条件下，衬砌所受的推力和弯矩的理论