不同跨度隧道施工力学行为研究

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1、公路隧道2013年第2期(总第82期)不同跨度隧道施工力学行为研究万明富张兆杰(1辽宁省交通规划设计院沈阳110166；2四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院成都610041)摘要基于相同地质条件下，对不同跨度隧道采用台阶法施工的全过程进行了数值模拟，得出了不同跨度隧道围岩的施工力学行为，据此提出不同跨度隧道施工过程中降低风险的有效措施。关键词跨度隧道施工力学行为数值模拟数表见表1、选取Ⅳ级围岩深埋段断面进行数值分1引言析。隧道断面上考察点如图1所示。隧道跨度决定了隧道施工的难易程度，跨度越大，施工难度越大。但是

2、，不同跨度的隧道，围岩与支护结构的受力趋势是否一致，需要深入研究。为此，有必要对不同跨度隧道在相同地质条件下的施工过程进行数值分析，来判断不同跨度隧道施工过程中的风险点是否一样，确定常规跨度隧道的经验教训是否可以直接指导大跨度隧道的建设。基于某隧道的Ⅳ级围岩，对不同跨度(2、3、4车图1隧道观测点位置示意图道)隧道进行数值分析。各跨度隧道的支护衬砌参表1不同跨度隧道支护衬砌参数表初期支护车道数锚杆喷射超前支护二次衬砌砼钢架2025X5中空注浆锚杆，长20cmC254022格栅拱架，2超前锚杆，单根40cmC253．

3、Om，排距×环距1．0×1．Om钢筋砼纵距1．Om长4．5m，环距45cm素砼025×5中空注浆锚杆，长20cmC25I14工字钢拱架，~p22超前锚杆，单根50cmC2534．Om，排距×环距1．0×1．Om钢纤维砼纵距1．Om长5．Om，环距40cm钢筋砼025×5中空注浆锚杆，长26cmC25I18工字钢拱架，(D22超前锚杆，单根7OcmC2545．5m，排距×环距0．75×1．Om钢纤维砼纵距0．75m长5．Om，环距40cm钢筋砼凝聚力C值提高2O，采用等效方法考虑钢拱架的2有限元模型及参数作用～引。2

4、．1计算模型模型计算范围：水平方向取距隧道中心3．5倍跨度，竖直方向向下取3倍跨度，向上取至地表。有限元模型的边界条件，除上部为自由边界外，侧面与o底面均为法向约束边界。初始应力场按自重应力场考虑。计算模型如图2所示，物理力学参数见表2。(c)初期支护与临时支护网格(d)二次衬砌网格采用D—P屈服准则作为判据，围岩按均质弹塑性材料考虑，支护结构按弹性材料考虑。采用杆单元模拟锚杆，采用梁单元模拟喷射混凝土，采用平面4节点等参单元模拟围岩和二次衬砌。将超前锚杆加固范围内的围岩参数适当提高，来模拟超前锚(a)整体网格(b

5、)超前支护网格图2有限元模型及网格划分杆的加固效果，即令内摩擦角值保持不变，而将·‘万明富等不同跨度隧道施工力学行为研究表2围岩及支护结构物理力学参数表3不同跨度隧道拱腰处围岩位移比较项目弹性模量泊松比容重凝聚力内摩擦肯拱顶下沉水平位移车道数E／GPa／(kN·m-3)c／MPa(。)大小(ram)方向大小(mm)方向围岩2O．2827．2O．33521．822下O．631临空侧超前支护加固区2O．2827．2O．363533．042下0．383临空侧喷射混凝土27．4O．22546．O96下O．705围岩侧二次衬

6、砌29．50．225锚杆19O0．3●78＼澄蟋2．2施工过程的模拟{三5}◆，／通过在开挖边界上施加释放荷载模拟施工过12程。将一个相对完整的施工阶段称为施工步，并设年道数每个施工步包含若干增量步，则与该施工步相应的图4不同跨度隧道拱顶沉降比较开挖释放荷载可在所包含的增量步中逐步释放，以便更真实的模拟施工过程_4]。隧道采用台阶法施重n5工，整个施工过程通过9个施工步模拟：(1)形成自篓o重应力场一(2)施作超前支护一(3)上台阶开挖一*-0．5(4)施作上台阶初期支护与临时支护一(5)左下台阶开挖一(6)施作左

7、下台阶初期支护一(7)右下台阶开挖一(8)施作右下台阶初期支护并拆除临时支护一图5不l司跨度隧道拱腰处围岩水平位移比较(9)施作二次衬砌。由图3(a)、表3和图4可知，拱顶下沉大小随跨度而增大。由于拱顶下沉是评价围岩稳定性的一3数值模拟结果个重要指标，所以，随着跨度的增加，隧道支护参数3．1围岩位移要适当加强、开挖进尺适当减小、并注意支护时机。3．1．1围岩位移结果由图3(b)、表3和图5可知，拱腰处水平位移各跨度隧道围岩拱顶下沉、拱腰水平位移随施大小无规律可循，但是随跨度增加，方向由指向临空工步变化见图3，最终位

8、移见表3和图4、图5。侧逐渐过渡为指向围岩侧。2、3车道隧道拱腰处围+四车道--II-三车道+两车道岩水平位移最终均指向临空侧，且2车道位移量大于3车道位移量，而4车道隧道拱腰处围岩水平位吕目移最终指向围岩侧。＼3．1．2围岩位移对结构影响．叵隧道属于拱式结构，其特点是在竖向荷载作用下产生水平方向的推力。之所以出现上述水平位移13579现象，是因为隧道跨度越