第28卷第8期　2005年8月

合肥工业大学学报(

自然科学版)

JOURNALOFHEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

Vol.28No.8　Aug.2005　

硬岩隧道锚喷支护施工过程非线性有限元分析

周太全,　华　渊,　连俊英,　沈　东

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(1.江南大学土木工程系,江苏无锡　214122;2.无锡市建筑工程质量检测中心,江苏无锡　214062)

摘　要:聚丙烯纤维喷混凝土作为隧道锚喷支护中的新型支护方式,具有施工便捷特点,并可以改善混凝土的性能和耐久性。文章采用非线性有限元法对东巨寺沟硬质围岩铁路隧道进行了大断面开挖-锚喷支护施工全过程分析,分析了施工过程中围岩的位移变形、应力、塑性区分布特征,验证了隧道支护后的围岩稳定性和支护效果。

关键词:聚丙烯纤维混凝土;硬岩隧道;大断面开挖;锚喷支护;非线性有限元分析

中图分类号:TU457;TU528.58;TB115　　　文献标识码:A　　　文章编号:1003-5060(2005)08-0897-04

Nonlinearfiniteelementanalysisoftunnelexcavationandanchorsprayedconcreteliningconstructionprocesswithinhardrockmass

ZHOUTai-quan,　HUAYuan,　LIANJun-ying,　SHENDong

ExaminationCenter,Wuxi214062,China)

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(1.Dept.ofCivilEngineering,SouthernYangtzeUniversity,Wuxi214122,China;2.WuxiConstructionEngineeringQuality

Abstract:Thepolypropylenefiberreinforcedconcrete,whichisanewtypeofthetunnelliningstructure,hasthecharacteristicofeasyconstructionandcanimprovetheconcretebehavioranddurability.Toassurethesafetyintheconstructionprocessofthepolypropylenefiberreinforcedconcreteliningstructure,thenonlinearfiniteelementmethodisusedtoanalyzethelargesectiontunnelexcavationandtheanchorsprayedliningprocesswithinthehardrockmassoftheDongjusirailwaytunnel.Thenumericalanalysisiscarriedouttoinvestigatetheforceandthedisplacementdistributionoftheanchorsprayedconcretelayerandtheplasticdistributionregionaroundthetunnelduringthelargesectiontunnelexcavationandanchorsprayedliningconstructionprocess.Therockmassstabilityandtheliningeffectaftertheconstructionoftheliningstructureisstudied.

Keywords:polypropylenefiberreinforcedconcrete;hardrockmassofatunnel;largesectionexcavation;anchorsprayedlining;nonlinearfiniteelementanalysis　　新奥法在国内外隧道结构设计和施工中得到成功的应用。其主要思想是最大限度地发挥围岩的自承载作用。锚喷支护正是应用新奥法思想发展的现代地下工程支护结构方法,在矿山、建筑、铁道、水工以及军工等部门得到了广泛的应用

[1～4]

可采用整体式衬砌或复合式衬砌,在I～II级围

岩短隧道中可采用喷锚衬砌。

文献[5,6]对于纤维增强混凝土进行了疲劳损伤及微观结构方面的一系列研究。湿喷纤维混凝土与普通混凝土相比,不仅具有较高的抗拉、抗弯、抗剪及抗冲击强度,而且具有较好的延性、良

。文献[1]规定,隧道应做衬砌,一般情况下

收稿日期:2004-10-27;修改日期:2005-01-13

:(1976-),男,,;

,

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[7]

好的变形能力、较高的密实度和良好的防水性能,用于隧道支护结构可以产生良好的支护效果和经济效益。为了确保湿喷纤维混凝土隧道支护结构施工过程中的安全性,有必要采用非线性有限元分析东巨寺沟硬质围岩隧道大断面开挖-锚喷支护施工全过程。

材料模型采用Mohr-Coulomb弹塑性模型,湿喷纤维混凝土材料模型采用等效单轴非线性应力-应变模型,采用Kupfer混凝土材料破坏准则模型,锚杆材料模型采用理想弹塑性模型。计算分析中,采用的材料力学参数如下:

(1)围岩。弹模E=15GPa;泊松比 =0.28;密度 =24kN/m;粘聚力C=0.9MPa;内摩擦角 =45°。

(2)湿喷纤维混凝土。弹模E=37GPa,抗拉强度!tk=3.8MPa,抗压强度!ck=28MPa。(3)锚杆。弹模E=210GPa,屈服强度!y=210MPa。

地下工程的开挖锚喷支护过程是一个围岩应力逐步释放和围岩卸载变形问题,为了模拟隧道开挖和支护结构的施工过程,在分析程序中采用单元“生、死”方法来模拟隧道施工过程,即在隧道大断面开挖完成前,让喷射混凝土层处单元以及锚杆单元处于“死亡”状态。当隧道大断面开挖完成后,让隧道开挖断面处的围岩单元处于“死亡”状态,并让喷射混凝土层处的单元和锚杆单元处于“激活”状态。在隧道未开挖前,锚喷支护结构处于“死亡”状态,其内力为零;当隧道开挖锚喷支护完成时,锚喷支护结构开始发挥作用,这种处理方法与锚喷支护施工过程是比较吻合的。

隧道开挖过程中,由于开挖面的约束作用,使得开挖面附近的围岩位移不能立刻全部释放,隧道开挖面附近的围岩应力和位移沿着隧道轴线方向发生变化。开挖面和支护工作面之间存在着一定的距离,支护荷载随着距离隧道开挖面距离增加而减小,在支护设置之前,隧道围岩已经产生了一定的自由位移。为了反应这种支护滞后效应,引入了“位移释放系数”概念来反应开挖面的空间效应和支护滞后效应。三维边界元理论计算表明,在全断面开挖方式下,开挖面上顶、底板的位移释放系数相近,约为30%

[9]3

[8]

[8]

1　施工全过程分析

1.1　工程概况

东巨寺沟铁路隧道进口段在一泥石流沟左岸,位于河西地区,出口端附近地形起伏,地势险

峻。进口段地表有粘质黄土层覆盖,出口端基岩裸落,坡面稳定,隧道起讫里程为DK1334+955～DK1335+716,全长761m,最大埋深约为213m。其中,在该隧道内III级围岩地段选取60m采用湿喷纤维混凝土锚喷支护结构作为永久衬砌试验。试验段位置处的隧道横截面形式如图1所示,喷层厚度为15cm,纤维网密度为0.9kg/m。

3

图1　15cm厚度湿喷纤维混凝土衬砌断面

1.2　非线性有限元计算模型

采用二维平面应变模型对施工过程进行分析,围岩、喷射混凝土层采用4节点常应变单元,锚杆采用与实际尺寸大小相同的杆单元模拟。计算围岩范围宽50m,高60m。围岩边界上两侧位移边界条件按水平方向固定确定,铅直方向自由;下侧位移边界约束铅直方向固定,水平方向自由。划分网格后的总单元为7880个,2D常应变单元7170个,杆单元170个,在隧道开挖区域加密单,,。为了反应支护的滞后效

应盒开挖面的空间效应,在本文计算分析过程中,

[9]

采用“多重单元法”模拟了设置支护时隧道顶、底板的30%位移释放系数。

2　计算分析

对东巨寺沟硬岩隧道开挖、锚喷支护过程建

　第8期周太全,等:硬岩隧道锚喷支护施工过程非线性有限元分析899

沟硬岩隧道开挖、锚喷支护进行分析,着重对隧道开挖后围岩应力、围岩塑性区分布、锚杆轴力进行分析,探明支护后围岩的稳定性和支护效果。锚喷支护完成后的隧道支护结构变形,如图2所示;隧道硐室附近围岩塑性区分布,如图3所示。

从图2位移变形中可以看出,隧道开挖支护

完成后的硐室变形特征表现为拱顶出现下沉、墙腰向内变形及底板出现上鼓,具体的位移变化值见表1所列。

采用湿喷纤维混凝土和锚杆支护后的硐室位移变形量要小于未进行支护的硐室位移,表明支护的效果是有效的。

图2　隧道开挖、锚喷支护后变形图　　　　　　　　　图3　开挖锚喷支护后隧道硐室附近塑性区分布　　　　

表1　未支护、锚喷支护隧道拱顶、拱脚、墙腰、底板计算位移对比

支护类型湿喷纤维砼锚喷支护

未锚喷支护

拱顶下沉1.221.38

拱脚内收0.720.81

墙腰内收1.001.10

mm

底板上鼓1.351.48

　　由图3可以看出,锚喷支护后的硐室附近塑性区分布区域主要集中在墙腰和墙趾位置处,而未进行支护的硐室塑性区分布范围要大于锚喷支

护的硐室分布范围。锚喷支护后拱顶塑性区基本上趋于消失,墙趾塑性区分布范围要小于未支护时的分布范围。支护后的围岩塑性区分布深度均小于锚杆的有效长度,表明锚杆的长度设计是合理可行的。围岩、锚喷支护结构基本上处于受压状态,锚喷支护结构完全处于弹性工作状态,并与围岩一起共同变形,充分调动了围岩的抗力约束作用。如图4所示,在拱顶部位22°位置附近竖向压应力值较其他位置处的应力值小,在该位置附近有一卸载拱作用,在拱顶其余部位的压应力值均较大,分布形状为半圆形,竖向压应力值向外逐渐减小。在底板位置处存在着一个较大范围的反向卸载拱,未进行支护与锚喷支护后的隧道在直墙脚隅部位存在着较大的竖向压应力,在该位置附近存在着较强烈的应力集中现象,该位置处为开挖完后可能发生破坏的位置,支护后的应力值得到了有效地降低。

图4　隧道未支护、锚喷支护围岩竖向应力分布

平应力分布如图5所示。其中,l1表示自隧道拱顶

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拉应力最大值,而且都处于弹性工作状态。拱顶位置的锚杆应力分布较直墙位置处的锚杆分布更为丰满,表明拱顶部位置处的锚杆拉应力得到了较为充分的发挥,对拱顶部的围岩体起到了有效的加固作用,减小了拱顶围岩塑性区的分布范围,提高了围岩的自承载能力。锚杆1、2、3、4、5、7、8、9的最大轴力分别为23.41kN、22.26kN、19.50kN、17.66kN、14.83kN、15.37kN、13.92kN、13.69kN和14.87kN。

3　结　论

(1)采用湿喷聚丙烯纤维混凝土隧道支护结构,减薄了衬砌厚度,拱顶下沉、墙腰内收缩、底板上鼓量得到了降低,提高了成硐空间。

(b)　拱脚

1.竖向应力　2.水平应力

图5　支护后拱顶、拱脚位置处压应力分布

(2)采用湿喷聚丙烯纤维混凝土隧道支护结构,隧道围岩塑性分布区域有所减小,拱顶塑性区趋于消失,主要集中在直墙腰、直墙墙趾位置处。锚杆的应力处于弹性受拉状态,锚喷支护结构未出现裂纹,均处于弹性工作状态,该支护结构使用至今,完全满足使用要求。

[参　考　文　献]

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[2]　GB50086-2001,锚杆喷射混凝土支护技术规范[S].[3]　徐干成,白洪才,郑颖人,等.地下工程支护结构[M].北京:

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拱顶处的竖向压应力竖直向上逐渐增大,并趋于常量,而拱顶处的水平应力变化竖直向上逐渐减小,并趋于常量。拱脚处的竖向应力、水平应力分布规律类似于圆形隧道开挖支护后环向应力、径向应力的分布规律。拱脚处的竖向压应力沿着水平方向先增大,达到峰值后逐渐减小,并趋于常量,拱脚处的水平应力变化沿着水平方向先增大,后趋于常值。

锚杆轴力分布,如图6所示。从图中可以看出锚杆全长度处于受拉状态,在喷层位置附近达到

图6　锚杆轴力分布