公路隧道新型衬砌结构双孔开挖和支护方案研究.pdfVIP

第32卷专辑 固体力学学报 V01．32S．Issue CHINESE 0FSOLIDMECHANICS 2011年10月 JOURNAL October2011 公路隧道新型衬砌结构双孔开挖与支护方案的研究’ 王花平1¨ 郭志伟2 张琼武3 周 智1 李之达4 (1大连HT大学土木工程学院，大连，116024)(2中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，武汉。430040) (3北京城建设计研究总院武汉分院，武汉，430063)(4武汉理工大学交通学院，武汉。430063) 摘要论文以公路隧道为研究对象，取Ⅳ级围岩，利用有限元程序对台阶开挖法和环形开挖法进行了数值 模拟，分析了其支护后衬砌结构的应力和变形特征．在此基础上，针对目前隧道衬砌结构在修建和运营过程中的不 足，提出一种双孔支护方案，并进行了较系统的数值模拟．研究结果表明：环形开挖法的最大应力和位移明显小于 台阶开挖法，双孔支护方案能很好地减小衬砌的受力和变形，为隧道的设计和施工提供一种新的思路． 关键词 公路隧道，衬砌，开挖方法，双孔支护 0 引言 m2，净空周长32．50m；①22锚杆，间距为60em，杆 当前，关于单拱隧道的开挖方式，主要有三种， 长3m；C25喷射混凝土厚度28cm；洞室周围围岩 即全断面法、台阶法和环形法[1]．在地形和地质较为 选取面积100×80 m2．建模时，取弹塑性平面应变 恶劣的情况下，合理的隧道开挖方案和支护结构对 模型；在开挖及支护后，把衬砌作为骨架结构，考虑 维持隧道围岩的稳定有重要作用，对不同开挖法和 锚杆和喷射混凝土的共同作用[z-6]；围岩及衬砌的物 不同支护结构进行对比研究，其结果对工程实践具 理参数，根据设计资料和相应规范拟定，其值如表1 有一定的指导意义．本文以隶属Ⅳ级岩体(即碎石结 所示．根据有限元数值计算特点，对其施工工序做了 构、易松动)的隧道为研究对象，对后两种开挖法进 相应的简化，处理后的步骤如表2．边界约束为两侧 行数值模拟E23，对比分析隧道围岩的应力和变形特 施加滑动支座，使水平位移为0；下侧则施加竖向约 征，旨在探讨隧道在开挖和支护过程中普遍的问题， 束，使垂直位移为0；上侧为自由边界．网格划分时， 如拱顶塌方、底部拱起、掉快、拱肩破碎等，并提出更 选用二维四节点等参单元PLANE42划分围岩；用 好的衬砌结构形式，避免或减缓上述病害的出现． 二维梁单元beam3来模拟衬砌，锚杆用二维杆单元 1有限元模型与相关参数 Linkl．隧道所承受荷载主要有自重应力场和侧压 相关设计参数为：建筑限界宽lO．0m，高6．0 力，参照公路隧道规范选取[2]． m；内净空采用拱部单心圆方案，净空面积为60．25 表1 围岩及各结构材料的物理力学参数袭 Table1 Themechanical ofrockandotherstructures parameters 2有限元结果分析 和应力信息．所取特殊点分别是拱顶、拱肩、拱腰、拱 由于本文重点研究开挖支护后，衬砌的受力和 脚，其所处位置如图1。 变形特征，因此，提取支护后隧道洞周特殊点的位移 *国家自然科学基金：tfll博士后科学基金(20100481233)资助． ¨通讯作者． E-mail：wanghuapingll28@sina．cn．