文档介绍：隧道的围岩特性与初级支护结构分析
【摘要】隧道的围岩变形问题是隧道工程中一个重要的部分,开挖方式以及支护措施一直都是工程中重要的研究课题,本文对隧道的几种开挖方式、支护时机、和参数的设置上做了简要的分析比较。
【关键词】围岩变形;开挖方法;支护形式;参数优化
0 前言
随着高速公路的迅速发展,隧道做为交通发展重要组成部分也要跨上一个新台阶,相应地隧道设计和施工技术也有了更高的挑战和要求。在隧道初级设计和施工过程中,采用不同的施工方法和不同的支护结构形式对隧道围岩的稳定性有很大影响,目前常用的隧道施工方法有环形法、台阶法和全断面法等,研究不同的开挖方法以及开挖后采用不同的支护结构对围岩稳定性影响有很大的意义。
本文以某高速公路隧道为施工背景,大部分隧道为ⅳ级围岩,其围岩特性较差,选岩质较差的ⅳ级围岩为对象,做三种施工方法的对比,并在比较得出的开挖方法中选用不同的支护结构从而得出在这种地质条件下的最优施工方法和初级支护结构,并优化施工支护参数。
1 开挖方法的比较分析
运用有限元软件模拟开挖的台阶法、环形法以及全断面法。本构关系采用ducker-prager屈服准则,梁单元的力学模型与围岩的二维连续体力学模型结合在一起计算,考虑初级支护锚杆和喷射混凝土的相互作用。
由于各项施工参数设定相同,这样就保证了围岩的应力场和位移场的相同。根据计算结果可以得到应力的极值主要出现在隧道的周边上,所以位移以及应力的取点位置取在隧道周围的拱顶、拱肩、拱腰、拱脚以及拱底部分。经过对特殊点的观测得到隧道的拱顶较不稳定,有较大的沉降,在应力达到一定的范围后会产生掉块,坍塌情况,在拱底由于较大的压应力会向上拱起;在拱肩和拱脚处会产生小范围的应力集中现象,达到围岩的屈服强度后会引起拱脚部位的局部破坏。
经过对比知环形法的开挖应力相对较小,在拱腰和拱底出现应力集中现象,但区域相对较小,在拱脚和拱顶处出现拉应力,相对其他方式,这种拉应力也较小。在拱腰处台阶法开挖会产生塑形区域,而环形法开挖则不会产生。经过综合比较环形方式的开挖对隧道产生的应力小,且不容易产生塑性变形。
2 支护的时机对隧道围岩变形的影响
初级支护的时间是通过开挖后的荷载释放率来确定的,开挖后及时进行初级支护荷载的释放率为零,这时支护承担所有的围岩变形应力;开挖后经过较长的一段时间等到围岩变形稳定后进行支护结构,这时的围岩荷载释放率为1,支护结构承担的荷载较小;、、。不考虑初始地应力的释放情况,围岩应力直接作用在初级支护上,支护和围岩协调变形。
采用有限元分析软件,围岩采用二维平面应变单元来模拟,通过提高喷锚加固区的围岩参数来模拟锚喷支护结构。隧道横向取洞径的3倍长,竖向往上到地面,往下取3倍洞径。支护结构在隧道附近时采用较密的网格划分,较远出网格划分相对稀疏。
计算结果可知洞周围岩位移运动趋势皆指向洞内。随着荷载释放率的增大,即在初期支护延时的情况下,围岩在开挖后自身位移不断增长。在荷载刚开始释放,释放率为0、,,围岩应力继续释放时水平收敛大于拱顶沉降。经过分析得到支护过晚时的围岩位移已经超过隧道的稳定控制标准,初期支护时间太晚,有可能造成隧道的坍塌。
围岩塑性区随着荷载释