赐敢岩隧道地下风机房衬砌结构数值计算-论文.pdf

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1、赐敢岩隧道地下风机房衬砌结构数值计算■秦志清(福建省交通规划设计院，福州350004)摘要以福建省内赐敢岩特长隧道地下风机房为例，采用大型有限元分析软件MIDAS／GTS对其结构进行模拟分析，选取典型断面并采用地层一结构法计算，以重现衬砌的受力状态。并对其安全性和稳定性进行评价，也为此类设计提供了参考。关键词隧道地下风机房衬砌结构安全性评价1引言时设置排烟竖井作为火灾工况下的排烟措施。地下风机目前，国内5km以上的特长隧道大多采用分段式纵房洞身段地质状况为：微风化凝灰熔岩，裂隙不发育质向通风。而实现分段通风最主要的手段就是设置通风构地坚硬，岩体较完整，围岩呈块状结构

2、，赋水条件差，筑物，包括竖井、斜井、横洞．联络风道和风机房等地下水贫乏。按现行《公路隧道设计规范》(yrG(”。地下风机房一般埋置于隧道的较深处，与地面风机D70-2004)的围岩划分标准，围岩级别属II级。上覆土房相比具有以下优点：工作人员可方便出入、洞顶地表层自上而下分别为坡积土、全风化一碎块状强风化凝灰征地少、地下结构四季温差小等。然而，由于地下风机熔岩、中分化凝灰熔岩和微风化凝灰熔岩。房跨度大，高度高，且受吊装设备及设备动载的影响，图1和图2分别给出了地下风机房的平面示意图和结衬砌不仅要承受周边的围岩压力，同时要承担顶部吊车构衬砌图，其纵向长度为61．3m，

3、宽度为14．8m，高度为所传递的竖向荷载和水平荷载(轴流风机起吊重量可达15．7m，埋深约为110m。机房结构采用复合式衬砌。其15t)，其衬砌结构的安全性是设计必须关注的问题。中初期支护采用13cm厚C25喷射混凝土，拱顶及边墙上目前，国内针对地下风机房的研究并不多，陈小勇部布设~22mm砂浆锚杆，间距为1．2mX1．2m，二次衬砌等等探讨了地下风机房大断面的施工技术方案。熊文采用50cm厚C25钢筋混凝土。亮0介绍了四川华蓥山特长公路隧道地下风机房的适用3地层结构法计算条件、布置方式、结构支护、防排水及施工方案等。张3．1计算模型国松“介绍了白云隧道通风斜井地下

4、风机房洞室在瓦斯选取典型断面进行二维结构计算(图1)，地表以及地层中施工所采取的综合治理措施：超前预注浆防护、加强初支、改进通风、实施瓦斯监测等。张建国采用资料调研、理论分析、现场实测、模型试验、程序开发、数值模拟等研究手段对隧道通风井优选技术、隧道风机优化配置技术、隧道地下风机房通风设计方法等进行了研究。然而．针对地下风机房衬砌结构数值计算及其安全性评价方面的研究国内还未见相关报道。本文以福建省赐敢岩特长隧道地下风机房为例，采用大型有限元分析软件MIDAS／GTS对其结构进行模拟分析，选取典型断面并采用地层一结构法计算，以重现衬砌的受力状态。并对其安全性和稳定性进

5、行评价。2工程概况柘荣至福安高速公路A6标段赐敢岩特长隧道位于宁德市柘荣县富溪镇与黄柏乡境内，该隧道通风方案为：正常营运工况下采用全纵向射流风机诱导通风，同图1赐敢岩隧道地下风机房平面示意图福建交通科技2013年第4期《公路隧道设计细则》(JTG／TD70-2010)指出：对于I-III级围岩地段的隧道，围岩形成的荷载应100％由围岩与初期支护承担，二次衬砌的荷载分担比理论上可为0。然而，为了保证工程的可靠度，本文围岩的荷载释放系数按照如下方式分担：开挖50％，初期支护30％，二衬20％。图2赐敢岩隧道地下风机房衬砌图地层分界根据实际地形以及地质情况进行导入。为尽量

6、减小所谓的“边界效应”，本文在风机房横断面x方向范围取为135m。在z方向范围取为190m。围岩采用二维平面应变单元进行模拟，本构模型为D—P(德鲁克一普拉格)，通过单元的“生死”来模拟地下风机房的开挖；地下风机房初支锚杆采用桁架单元模拟，初支喷砼采用粱单元模拟，二衬厚度相对较厚，采用弹性平面应变单元模拟，不考虑初支与二衬之间的相互滑移。吊车荷载采用在单元节点上施加集中力来模拟。围岩及衬砌结构计算参数如表1所示，其参数根据图3二维断面计算网格图规范及现场勘查资料综合确定。计算边界条件选取为：模型左、右边界施加x方向的约束，模型底面施加垂直z方向的约束。模型共划分92

7、51个单元、8899个节点，计算网格如图3所示。表1围岩及支护计算参数表施工模拟过程共分为以下五个阶段：(1)初始应图4地下风机房网格圈力平衡；(2)地下风机房开挖；(3)施作地下风机房初期支护；(4)施做地下风机房二衬；(5)在地下风3．3吊车荷载取值机房二衬牛腿上施加吊车荷载。在lm宽度的壁式连续牛腿上作用的竖向力设图4给出了地下风机房的最终网格图。计值Fv及水平拉力设计值FH可分别采用以下公式福建交通科技2013年第4期L三计算：的最大沉降仅为1．83mm，底部的最大隆起变形为P1．4PPh1．4Phs1。96mm，满足相关规范的容许变形要求；土体内部发=