1、文章编号:():./.基于数值分析的隧道支护结构安全性评价钟玉刚芦浩伦(.中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津市.西安建筑科技大学 土木工程学院 西安市.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室 西安市)摘 要:根据六盘山隧道二次衬砌存在的强度、厚度等问题采用 大型有限元软件 仿真技术对代表性缺陷截面的应力进行了分析再进行安全性、可靠性检验最终对其质量安全进行了评价 研究结果表明:二次衬砌在强度不足段的最大压应力为.比混凝土的抗压强度低由于拱顶部分二衬厚度不够致使初支应力状况变差拱顶到拱腰部位的初支轴力显著增大但增加后的初支内力仍未超过混凝土强度设计值 此外也会导致二次衬砌应力状态劣化表现为拱顶至拱
2、腰位置二次衬砌中的最大主应力、最小主应力明显增大但增长后的二衬应力仍未超过混凝土强度设计值 因此判定缺陷断面支护结构满足安全要求 关键词:仿真技术数值分析隧道支护安全性评价中图分类号:.文献标识码:引言隧道开挖必然会对围岩应力场造成干扰导致应力再分配同时使得局部残余应力得以释放从而引起围岩变形导致地表塌陷 而支护结构是与围岩相互作用、相互制约、共同作用的重要承载体系对于充分发挥围岩自稳性、确保隧道施工及运营安全意义重大 因此无论是设计或是施工都应该确保支护结构的质量根据六盘山隧道二次衬砌的实际情况基于 大型商用有限元软件 仿真技术从二次衬砌混凝土强度和厚度不足两个方面对其安全性、可靠性进行了分
3、析并对其质量安全进行了评价 工程概况.工程地质概况六盘山隧道在天水 平凉铁路 标段该项目位于甘肃省平凉市华亭县的六盘山地区从 到 总长 除了洞口端.在 的曲线上其它段都是在一条直线 山区地势险要岭高沟深海拔 相对海拔差 丘坡自然坡度为 洞身最大埋深约 六盘山隧道地区地层极其复杂其区域内构造纵横交错褶曲断裂发育主要是由北向西为主与区域群系的走向相吻合 由于构造运动的影响该区内断面具有明显的切割特征山高沟壑、地形崎岖、结构复杂等特点.施工存在问题及设计通过对六盘山隧道支护结构的监测可以看出该支护结构中的一些问题:()隧道二衬 左边墙 年 月 日浇注实测混凝土强度 不符合设计混凝土强度 的要求()拱
4、顶 、和 隧道二衬设计的厚度为 而地质雷达探测的厚度为、和 由于该项目问题段隧道均位于三级围岩区因此采用全断面开挖和光面爆破等措施进行施工 该问题段的初期支护采用 混凝土并利用湿喷工艺按围岩等级设定喷混厚度()对于拱部系统的锚固结构选用了带有排气装置的复合锚固其侧壁选用了粘结砂浆锚固(钢筋型号)在初期支护和二衬之间预留了 的变形量并且设置了 防水材料和非织造织物 二衬采用 混凝土二衬厚度按围岩等级确定是 数值模拟与分析在隧道工程中二衬结构的强度和厚度对支护 年 第 期 北方交通的安全性和可靠性有着极大的影响 针对该隧道问题段二衬混凝土强度不足、厚度不足的现状须对其质量安全进行评价 因此依据研究
5、对象的特点及研究目标采用大型 软件对其进行了分析与计算.地质模型及边界条件根据以往的科研和实际工作得出了隧道施工对围岩应力的影响范围是开挖后 倍于开挖面外的洞室宽度 在此基础上对六盘山 的隧道进行了数值模拟.材料参数通过对问题段隧道地质调查报告和支护结构形式的分析参照有关规范和同类项目的有关资料对该问题段隧道进行了数值模拟相关参数见表 表 数值模型材料参数材料名称重度/(/)压缩模量/泊松比内摩擦角/()粘聚力/围岩.初支.锚杆.二砌.支护结构安全性计算结果分析.隧道衬砌强度不足段安全性分析六盘山隧道施工中 左壁二衬混凝土的设计强度为 而实测的混凝土强度为.与设计强度不相符 以六盘山隧道 段为
6、实例根据实际问题用数值模拟方法对隧道拱顶、拱腰、拱脚、仰拱等 个单元进行了分析见图()图()中所示为 段二衬的最小主应力云图 可以看出在隧道工程完工后二衬的最小主应力 都是在.之间 其中每个代表点上的最小主应力 分布情况可在图()中详细呈现 从图()可以看出高应力区主要集中在拱脚处最大应力集中于拱脚内侧其最大压力值为.明显低于设计要求的抗压强度符合安全使用要求 分析其原因:是该区段为类围岩环境围岩状况良好断面为复合式衬砌其前期支护的出现使二衬承受的围岩负荷大大降低.隧道衬砌拱顶厚度不足段安全性分析六盘山隧道二衬的厚度按理论规定为 但是经地质雷达探测得知六盘山隧道 图 断面二衬模拟结果图、二衬的
7、实际厚度分别为、均未达到设计要求 二衬厚度的降低会导致二衬及初期支护的受力情况恶化进而导致隧道支护强度不足甚至失效隧道围岩变形大幅增加 选取六盘山隧道 段选取了最薄衬砌的隧道进行了截面数值模拟()初期支护内力分析选取隧道拱顶、拱腰及拱脚共 个单元点作为代表点见图 对该断面开挖过程中初期支护的内力分布情况进行分析 图()和图()给出了 断面设计情况和实际施工情况下的初期支护轴力云图图()为设计断面与缺陷断面的初支轴力分布情况的对比图 图()和图()显示在隧道施工结束后这一段的初始支护的轴力全部在.之内与在设计截面下的初始支护轴力进行比较由于在 截面上拱顶处的二衬厚度不够使得初支中轴力增加的范围主
8、要集中在拱顶到上拱肋部位而对其它部位的轴力影响较小 拱顶轴力的增加幅度最大从.增加到 .比以前增加 最大的轴向应力集中于两个拱脚处最大轴力为.通过对六盘山隧道 段早期支护的北方交通 年 第 期图 隧道初期支护代表点位置示意图图 断面初支模拟结果图受力分析得出了因隧道拱顶局部二衬厚度不够而引起的初支应力状况的恶化表现为拱顶至上部拱腰位置初支轴力明显增加此时拱顶的安全系数为.左拱腰的安全系数为.右拱腰的安全系数为.左拱脚的安全系数为.右拱脚的安全系数为.并且增加后的初支内力最大值为.其值为初期支护混凝土设计强度的多出 的安全储备满足设计要求 据此盘山隧道的前期支护设计按 、等施工的初支均达到了设计
9、的安全标准()二次衬砌应力状态分析以隧道拱顶、拱腰、拱脚和仰拱等 个单元为代表见图 对 断面开挖过程中二衬的应力状态进行分析研究图 断面代表点位置示意图图()和图()给出了设计及缺陷两种情况下该断面二衬的最小主应力云图图()给出了设计及缺陷两种情况下该断面二衬上各代表点处的最小主应力 分布情况 如图()所示二衬结构的最小主应力 在隧道施工结束后都是压应力并且在.内 通过与设计截面二衬应力状况的比较在 截面拱顶的局部二衬厚度不够除拱脚处外最小主应力 均增大最大压力分布由拱脚内部向外延伸 此外从拱顶至拱腰段二衬的最小主应力也得到了明显的改善图 断面二衬最小主应力图 年 第 期 钟玉刚等:基于数值分
10、析的隧道支护结构安全性评价拱顶的最小主应力 由 .增至 .上升了 而在上拱部位最小主应力 由原来的.提高到.提高.由此可以看出二衬拱顶的局部厚度不够对二衬拱的受力状况有很大的影响图()和图()为此截面二衬在设计和缺陷时的最大主应力云图图()给出了设计及缺陷两种情况下该断面二衬上各代表点处的最大主应力分布情况 从图()中可以看出隧道施工完成后二衬结构中最大主应力 大小为 .除拱脚内侧、及仰拱位置外最大主应力均为拉应力 通过与设计断面二衬应力状态对比发现在 段因拱顶部分二衬厚度不足使二衬最大主应力 总体增加最大拉力分布区域与设计断面相同均为上部拱腰外侧 另外在有缺陷的拱顶处向上拱腰部位二衬的最大主
11、应力增大而在拱腰部位最大主应力 从.提高到 提高了.拱顶处最大主应力 由 增加至.增长.二衬拱顶局部厚度不够严重地影响了二衬拱顶周围的应力状况图 断面二衬最大主应力图根据六盘山隧道 段二衬结构的受力分析发现二衬的应力状态较差导致二衬应力状态恶化因此二衬在拱肋至拱腰位置的最大主应力和最小主应力均发生了很大的变化此时拱顶的安全系数为.左拱腰的安全系数为.右拱腰的安全系数为.左拱脚的安全系数为.右拱脚的安全系数为.并且增加后的二衬应力最大值为.其值为二衬混凝土设计强度的多出了的安全储备满足设计要求 因此可以判断出隧道 、段的二衬达到了安全要求 结论根据六盘山隧道二衬在实际工程中存在的强度、厚度等问题
12、采用 软件对典型缺陷截面的应力进行了数值模拟测试了系统的安全性和可靠性并进行了安全性评估 主要得出以下结论:()经计算表明二衬在混凝土强度不高的情况下其最大压力值低于混凝土抗压强度符合安全设计的要求 分析其原因主要是因为该工程位于级围岩环境中围岩状况良好断面支护采用复合式衬砌从而使二衬承受的围岩力大大降低()通过对 段早期支护的受力分析可知因拱顶局部二衬厚度不够而造成的初支应力状况的恶化表现为拱顶至上部拱腰位置初支轴力明显增加但增加后的初支内力仍未超过 混凝土的设计强度 据此六盘山隧道前期支护设计按 、等施工的初支均达到了设计的安全标准()通过对 段二衬的受力分析可知在二衬中由于二衬的局部厚度
13、不够二衬应力状况较差主要是在拱顶到拱腰部位二衬最大主应力和最小主应力显著增加但仍未超过 混凝土的设计强度 因此六盘山隧道的二衬在 、段均达到了安全标准参考文献 李辉田小旭宋战平等.基于谢家杰公式的浅埋隧道开挖进尺计算方法研究.西安建筑科技大学学报(自然科学版)():.张顶立王梦恕高军等.复杂围岩条件下大跨隧道修建技术研究.岩石力学与工程学报():.宋战平.基于位移反分析的将军沟隧道结构稳定性评价技术.公路交通科技(应用技术版)():.张川军.基于“结构荷载”模型的隧道支护结构安全性评价北方交通 年 第 期方法.西部探矿工程():.宋战平张强赵克明等.基于现场监测及数值分析的隧道双导洞超前施工优
14、化研究.西安建筑科技大学学报(自然科学版)():.朱永全宋玉香.隧道工程.北京:中国铁道出版社.焦兴华.某运营隧道结构安全性数值分析研究.北方交通():.孙振宇张顶立房倩等.隧道初期支护与围岩相互作用的时空演化特性.岩石力学与工程学报():.扈世民.基于收敛 约束法地铁区间隧道初期支护安全性研究.铁道学报():.宋战平荆敏韩日美等.基于强度安全系数概念的隧道衬砌结构优选设计.西安建筑科技大学学报(自然科学版)():.(.).:.本刊声明.本刊所发表的作品均为作者观点并不代表本刊的立场和观点.文章著作权除著作权法另有规定外属于作者 凡是发表在北方交通杂志上的作品除另有约定外作者均不收取任何费用.
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