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      隧道襯砌工程力學性能分析

      2014-10-21 11:07:26崔洋韓永勝
      數(shù)字化用戶 2014年20期
      關鍵詞:隧道研究

      崔洋 韓永勝

      【摘 要】隨著我國交通建設的發(fā)展,隧道施工項目不斷增多,為了保證隧道工程的穩(wěn)定性,針對圍巖壓力經(jīng)常采用襯砌結(jié)構(gòu)進行施工。因此,需要對圍巖壓力與襯砌結(jié)構(gòu)等相關科學進行研究,分析其受力特性,并針對位移、應變、應力等方面進行總結(jié),找出其中的規(guī)律,為今后隧道工程施工提供參考。

      【關鍵詞】隧道;圍巖壓力;襯砌;研究

      一、地質(zhì)因素對隧道圍巖的影響

      (一)初始應力

      初始應力是指在巖體工程開挖之前,在巖體中就賦予著的天然應力。它是天然存在于巖體中的應力,不因施工而產(chǎn)生。巖體的初始應力狀態(tài)通??梢苑譃閮深悾旱谝活愐蛩赜兄亓Α囟?、巖體的物理力學性質(zhì)、巖體的構(gòu)造、地形等經(jīng)常性的因素;第二類因素有地殼運動、地下水活動、人類的長期活動等暫時性的或局部性的因素。因此產(chǎn)生初始應力的原因主要有巖體及其周圍介質(zhì)自重應力和構(gòu)造應力兩種。下面研究一下,初始應力對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響:

      它與初始應力的側(cè)壓力系數(shù)值有關,對圍巖穩(wěn)定性影響主要有以下幾種形式:

      (1)很小時,以垂直應力為主,對其斷面結(jié)構(gòu)分析,洞頂和地面將產(chǎn)生拉應力,側(cè)墻產(chǎn)生壓應力。在巖石強度較大的洞頂上可能發(fā)生坍塌,因此要注意支護。

      (2)隨著的增大,洞頂和地面拉應力的范圍將縮小,但側(cè)墻仍處于較高壓應力。因此,要注意側(cè)墻的穩(wěn)定性,對于強度較高的圍巖,可認為穩(wěn)定,對于強度較低的圍巖,要注意其可能產(chǎn)生剪切破壞而坍塌。所以,此時更要注意對側(cè)墻的監(jiān)測。

      (二)巖體結(jié)構(gòu)對工程的影響

      這里主要是指結(jié)構(gòu)面對巖體的分割效應。結(jié)構(gòu)面是指巖體內(nèi)已經(jīng)開裂或容易開裂的地質(zhì)界面。軟弱結(jié)構(gòu)面是影響隧道圍巖穩(wěn)定性的關鍵因素。它對巖體性質(zhì)的影響大于巖石材料的影響。巖體的強度是不同結(jié)合程度的多塊體的殘余強度。

      二、隧道圍巖壓力研究現(xiàn)狀

      (一)深埋地下工程的圍巖壓力計算方法研究現(xiàn)狀

      圍巖壓力的計算方法對于襯砌結(jié)構(gòu)的力學性能的重要性不言而喻。確定地下工程圍巖壓力的方法有以下三種:(1)工程仿真法;(2)直接測量法;(3)圍巖壓力估算法。在圍巖壓力理論方面,國外常用的方法是普氏理論,即基于塌落拱的計算原理和K.Terzaghi理論,而在我國,一般按習慣采用鐵路公路部門推薦使用的圍巖壓力計算法。

      (1)經(jīng)典普氏理論

      根據(jù)經(jīng)典普氏理論,該工程支護結(jié)構(gòu)的豎向均布壓力應按下式計算:

      在以上公式中,代表水平均布圍巖壓力,代表坑道高度,代表土體重度,代表圍巖相關似摩擦角。

      (2)K.Terzaghi理論

      根據(jù)K.Terzaghi理論,我們把隧道圍巖當作散粒體,開挖后,坑道在上方圍巖形成了卸落拱,我們根據(jù)距地面深度是h的土層水平條帶的力平衡條件,列出了相關數(shù)學微分方程,并結(jié)合邊界條件求解,得到了豎向壓應力的計算公式見下式: (3)

      在以上公式中,代表側(cè)壓力系數(shù),代表松動寬度的一半,代表土體重度,代表隧道埋深,代表圍巖相關似摩擦角。從公式中可以得到,一般來說,越大,符合如下公式: (4)

      當取1.0時,

      (5)

      (3)中國推薦方法

      在我國,鐵路公路部門基于工程模擬法的基礎,對我國上千鐵路公路的隧道塌方進行了統(tǒng)計,分析了調(diào)查資料,在此基礎上統(tǒng)計出了圍巖豎向的均勻壓力的計算公式見下式:

      式中,為豎直均布壓力,為圍巖級別,為圍巖重度,為寬度影響系數(shù),的取值按照規(guī)范規(guī)定。

      (二)淺埋地下工程的圍巖壓力計算方法研究現(xiàn)狀

      (1)當圍巖埋深小于等于等效荷載高度的時候,結(jié)構(gòu)側(cè)向壓力的相應計算公式為

      式中,為側(cè)向均布壓力,圍巖重度,為隧道埋深,為隧道高度,s為計算摩擦角。

      (2)當埋深大于等效荷載高度的時候,可以算出作用在支護上側(cè)壓力如下式所述:

      因此,作用在支護上的側(cè)壓力為:

      當側(cè)壓力可視為均布分布應力時,公式變?yōu)?/p>

      三、襯砌結(jié)構(gòu)建模計算分析

      該建模選取的隧道型式為二維襯砌結(jié)構(gòu),其中隧道的埋深是3.8m,在上面覆蓋土體重度為=22kN/m3,土的壓力系數(shù)=1-sin=0.5,內(nèi)摩擦角是31°;所用材料混凝土的重度=26kN/m3,彈性系數(shù)=2.87×107kN/m3,設計標準強度fck=2.68×106kN/m3,泊松比取為0.17;隧道采用的形狀為三心圓隧道,其中角等于角,半徑=6.3m,半徑=4.8m,都是60°。

      在建模之后,我們對結(jié)構(gòu)依次施加地基彈簧、豎直荷載及側(cè)向力梯形分布荷載,而后對荷載進行了荷載組合。

      四、結(jié)構(gòu)仿真計算結(jié)果規(guī)律分析

      經(jīng)過分析計算,得到隧道襯砌在豎向荷載、自重荷載、水平荷載、組合荷載下襯砌的位移、應力和應變分布。

      (一)結(jié)構(gòu)位移規(guī)律分析

      查看結(jié)果,組合荷載下,該工程隧道襯砌在豎向方向上的最大位移發(fā)生在隧道拱頂?shù)牡胤?,最大位移是向下?3.56mm;水平方向上的最大位移發(fā)生在隧道側(cè)壁的地方,最大位移是13.27mm;隧道底部發(fā)生了隆起變形,最大位移是向上的5.65mm。

      (二)內(nèi)力規(guī)律分析

      在組合荷載下,該工程隧道襯砌結(jié)構(gòu)在Y方向的彎矩在襯砌結(jié)構(gòu)側(cè)壁處達到了最大值,最大絕對值彎矩為421.67kN,襯砌結(jié)構(gòu)底部最大絕對值彎矩為363.217kN。

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