公路隧道新型衬砌结构双孔开挖与支护方案的研究-期刊网.docx

?

?

公路隧道新型衬砌结构双孔开挖与支护方案的研究

期刊网

?

?

论文导读:：本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。

论文关键词：公路隧道，衬砌，开挖方法，双孔支护

?

0引言

当前，关于单拱隧道的开挖方式，主要有三种，即全断面法、台阶法和环形法[1]。在地形和地质较为恶劣的情况下，合理的隧道开挖方案和支护结构对维持隧道围岩的稳定有重要作用，对不同开挖法和不同支护结构进行对比研究，其结果对工程实践具有一定的指导意义。本文以隶属Ⅳ级岩体（即碎石结构、易松动）的隧道为研究对象，对后两种开挖法进行数值模拟[2]，对比分析隧道围岩的应力和变形特征期刊网，旨在探讨隧道在开挖和支护过程中普遍的问题，如拱顶塌方、底部拱起、掉快、拱肩破碎等，并提出更好的衬砌结构形式，避免或减缓上述病害的出现。

1.有限元模型与相关参数

相关设计参数为：建筑限界宽10.0m，高6.0m；内净空采用拱部单心圆方案，净空面积为60.25m2，净空周长32.50m；Φ22锚杆，间距为60cm，杆长3m；C25喷射混凝土厚度28cm；洞室周围围岩选取面积10080。建模时，取弹塑性平面应变模型；在开挖及支护后，把衬砌作为骨架结构，考虑锚杆和喷射混凝土的共同作用[2-6]；围岩及衬砌的物理参数，根据设计资料和相应规范拟定，其值如表1所示。根据有限元数值计算特点，对其施工工序做了相应的简化，处理后的步骤如表2。边界约束为两侧施加滑动支座，使水平位移为0；下侧则施加竖向约束，使垂直位移为0；上侧为自由边界。网格划分时期刊网，选用二维四节点等参单元PLANE42划分围岩；用二维梁单元beam3来模拟衬砌，锚杆用二维杆单元Link1。隧道所承受荷载主要有自重应力场和侧压力，参照公路隧道规范选取[2]。

表1围岩及各结构材料的物理力学参数表

Tab.1Themechanicalparametersofrockandotherstructures

?

材料

弹性模量E/Gpa

泊松比

密度/Kg.m-3

内聚力/Mpa

内摩擦角/°

围岩（Ⅳ级）

5

0.35

2200

0.7

60

初衬

C25混凝土

25

0.25

2300

——

——

锚杆

175

0.30

7850

——

——

表2不同开挖方法的主要步骤

Tab.2Majorproceduresofdifferentialexcavationsteps

?

开挖方法

工序

台阶开挖法

环形开挖法

?

?

?

step1

计算自重应力场

计算自重应力场

?

step2

上台阶开挖及支护

上部环形开挖及支护

?

step3

下台阶开挖及支护

核心土及其下部开挖及支护

?

2.有限元结果分析

由于本文重点研究开挖支护后，衬砌的受力和变形特征，因此，提取支护后隧道洞周特殊点的位移和应力信息。所取特殊点分别是拱顶、拱肩、拱腰、拱脚，其所处位置如图1：

图1隧道特殊点位置示意图

Fig.1Specialpointspositiononrockofthetunnel

2.1开挖支护后的位移场分析

浇筑衬砌后，隧道洞周特殊点的位移值，如图2所示。由图可知，采用环形开挖，所引起的拱顶沉降（即Y向位移）明显小于台阶法；而横向位移（即X向位移），则略小于台阶法（注：两者产生的横向位移均很小）。

综合位移数值可知：台阶法，拱顶处产生了最大沉降13.12mm，其次为拱腰有11.02mm的沉降值；环形法，拱顶处最大沉降为10.25mm，拱腰处沉降为9.04mm，最小沉降为拱底处5.04mm。

图2隧道洞周处关键点的水平位移与竖向位移（mm）

Fig.2thehorizontalandverticaldisplacementsofspecialpointsonrock

2.2开挖支护后的应力场分析

浇筑衬砌后，两种开挖法所对应隧道洞周期刊网，特殊点的主应力值如图3所示。对比两种开挖法，从特殊点的主应力值对比可知，环形开挖产生的应力相对较小，其最大主压应力为2.06Mpa，而最小主拉应力则不超过0.38Mpa。综合应力数值可知，对于台阶开挖，所产生的最大主应力在拱腰处，值为3.24Mpa，而环形开挖，最大主应力也在拱腰处，值为2.06MPa；其均在拱顶和拱脚处出现拉应力，拉应力值最小为0.12MPa。在此给出环形开挖法的最大沉降图及最大主应力云图，见