软岩隧道二衬最佳支护时机有限元分析.pdf

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1、2014年第3期·83·第40卷总第179期SichuanBuildingMaterials2014年6月DOI：10.3969/j.issn.1672-4011.2014.03.034软岩隧道二衬最佳支护时机有限元分析赵二伟,向继兴(中铁三局集团有限公司运输工程分公司,山西榆次030600)摘要:结合隧道二衬支护时机理论，指出软岩隧道1-sinψR=R(1+sinψ)2sinψ0D围岩位移趋于稳定且塑性区半径扩大到锚杆长度时应进行[4]将其代入隧道断面位移公式得：二衬施工，并利用大型有限元软件AB

2、AQUS对向莆铁路武21-sinψ(Psinψ+Ccosψ)u=R(1+sinψ)sinψ夷山隧道软岩段进行三维有限元分析，确定了其二衬最佳r0D2Gr0支护时机。利用现场监测数据验证了该方法的正确性。式中,R为加固半径,m;u为断面允许位移,m。Dr0关键词:软岩隧道;二衬最佳支护时机;有限元分析这就是完成一次支护后,随着塑性区的发展,当塑性中图分类号:U456.3文献标志码:B区发展到危及一次支护结构的整体稳定时,也就是宏观上文章编号:1672-4011(2014)03-0083-02表现为当断面监测到的趋

3、于稳定的最大位移值接近上式的计算值时,就是隧道需要进行二次支护的最佳时机。0前言2工程实例软岩是一种特殊的岩体,具有较低的承载能力,且有[1]明显的塑性变形或黏塑性变形特征。向莆铁路某隧道地处江西省境内,全长14.659km。隧软岩隧道稳定既是一个强度稳定性,又是一个变形稳道最大埋深400m,选择埋深最大的隧道中段作为分析对定性,而且往往表现在因变形过大而引起隧道稳定问题。象。深埋段岩层主要由强风化千枚岩和弱风化千枚岩组成,目前,软岩隧道主要采用新奥法施工技术,分两次支护。且分布有断层破碎带,属Ⅲ、Ⅳ类软弱围岩

4、,施工相对较初次喷锚支护加强围岩自承载能力,一般在隧道开挖后立困难。经综合分析比较,采用三心圆曲墙式衬砌,隧道断刻施作,然后通过对变形的观测确定最佳二次支护时机,面如图1所示。最佳支护时机的确定有利于稳定围岩和节约支护材料,因此寻找和确定最佳支护时机,成为隧道工程支护技术的核0心。所谓最佳支护时机,就是最大限度的调动围岩变形释071放能量,最大程度的发挥围岩自承载能力,充分调动支护R65R0054体系的作用,使二次支护系统的抗力降为最低,同时保证120°R528°.50246支护材料的使用最为合理。因此,合理确

5、定二次支护时机R650108.3108.3[2]对于隧道建设具有重要的意义ABAQUS作为一套功能强大的有限元软件,能解决从[3]相对简单的线性问题到非常复杂的非线性问题。广泛用图1隧道断面形状于岩土工程、道路、桥梁和高层建筑物结构分析等领域,采用光面爆破进行全断面法开挖,每次掘进2m,采用其准确性得到了有效的验证。S4型复合式衬砌结构,初次衬砌为锚喷支护：喷射10cm本文针对某隧道开挖阶段地质资料完整,但监测数据厚C20混凝土,挂20cm×20cmφ钢筋网,拱顶部位按梅不足的特点,应用大型有限元软件ABAQU

6、S建立隧道完整花形(1.0m×2.0m)布置长2.5m锚杆,开挖完成后立三维有限元模型,并据以对隧道施工过程中的支护时机进即进行初次支护,二次支护采用整体式模筑。行了分析,从而确定了最佳支护时机。分析结果表明,该由于该隧道围岩强度低,岩性差,围岩在大应力作用方法具有相当的可靠性,可在工程实践中推广应用。下会产生明显的塑性、蠕变和膨胀位移,从各个方向向隧1二衬最佳支护时机的理论计算和确定方法道中心发生挤出性变形。因此在隧道施工过程中如果不把握好合理的支护时机,就会给隧道安全带来严重影响。因在对围岩进行一次支护后,

7、由于喷层混凝土和锚杆的而利用有限元软件ABAQUS建立三维有限元模型,据此确共同作用,即在围岩体内形成了相对比较稳固的自承载加定最佳支护时机,为维持隧道稳定性具有很大的现实意义。固区(假定其加固范围的半径为R)。对于软弱围岩而言,D由于岩石的流变特性,塑性区会在一次支护后继续发展,并3有限元分析计算开始出现松动区,当松动区半径接近并将等于喷锚加固范围R时,即认为一次支护体已经充分发挥了它的作用。假定当3.1模型建立D松动圈半径接近并超过锚杆加固范围时,围岩将失稳,这时,隧道三维有限元模型分析范围确定如下：由于隧

8、道开就需要进行二次支护,即R=R时,就是进行二次衬砌支护挖仅对一定范围的围岩有明显影响,隧道模型上下左右各fD的最佳时机,此时的塑性区半径为：取3倍隧道直径,沿隧道轴线方向取6倍隧道直径。模型岩体材料特性按均质弹塑性考虑,采用Drucker-Prager屈服准则。岩体单元为C3D8R,衬砌单元为S4R,锚杆单元作者简介:赵二伟(1980-)，男，河南西华人，大专，工程师，主为T3D2。