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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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%

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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 …… 此处隐藏：3573字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……