地下結(jié)構(gòu)施工動(dòng)態(tài)仿真數(shù)值模擬包括兩大部分: ① 確定合適的巖土介質(zhì)本構(gòu)模型及其物理力學(xué)性態(tài)參數(shù); ② 準(zhǔn)確模擬整個(gè)施工動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程. 由于巖土介質(zhì)的復(fù)雜性, 對(duì)本構(gòu)模型的仿真目前仍著重放在其物理力學(xué)參數(shù)的反演確定上[ 1 ] , 而施工過程的動(dòng)態(tài)仿真模擬則強(qiáng)調(diào)模擬過程的實(shí)時(shí)性, 即盡可能使得模擬過程與實(shí)際物理過程同步, 并借助于考慮施工過程的有限元、邊界元或有限差分法等技術(shù)來解決. 筆者將通過2D2σ有限元分析軟件動(dòng)態(tài)模擬小團(tuán)山大斷面公路隧道的整個(gè)施工過程, 對(duì)小團(tuán)山隧道圍巖和支護(hù)的穩(wěn)定性加以分析, 供設(shè)計(jì)和施工參考.
1 工程概況
小團(tuán)山隧道位于昆(明) —石(林) 高速公路上單向三車道單向行駛的大斷面隧道, 下行線全長(zhǎng)1 195m , 位于R = 1 850m , Ls = 100m 的左轉(zhuǎn)曲線上; 上行線全長(zhǎng)1 125m , 位于R = 2761188m , Ls =100m 的左轉(zhuǎn)曲線上. 該隧道限界寬13175m , 限界高5m , 設(shè)計(jì)凈跨為14180m , 凈高為819m 的半圓拱曲墻斷面, 開挖面積為159m2 、凈空面積為105m2. 小團(tuán)山隧道的斷面跨度在國(guó)內(nèi)尚無先例, 其斷面形狀、結(jié)構(gòu)受力、圍巖穩(wěn)定性和施工方法均具有顯著的特點(diǎn). 筆者就小團(tuán)山隧道下行線的K18 + 161 斷面數(shù)值模擬. 對(duì)小團(tuán)山隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行分析. 小團(tuán)山隧道XK18 + 161 斷面埋深約115m , 圍巖是灰褐、黃褐色玄武巖, 巖石節(jié)理發(fā)育, 碎石—塊狀, 原設(shè)計(jì)時(shí)圍巖劃分為Ⅳ 類, 在施工過程中, 發(fā)現(xiàn)巖石節(jié)理很發(fā)育, 實(shí)際應(yīng)為Ⅲ 類圍巖. 在K18 + 161 位置, 兩洞中心間距70m 左右. 隧道圍巖開挖到該斷面時(shí), 毛洞高12110m , 寬1614m (不計(jì)超挖和預(yù)留變形量), 斷面形式為單心圓. 由于圍巖狀況較設(shè)計(jì)差, 施工中對(duì)隧道的支護(hù)參數(shù)作了進(jìn)一步優(yōu)化, 支護(hù)參數(shù)調(diào)整如下:11 初期支護(hù):
① 采用濕噴鋼纖維、微硅粉C25 砼, 厚20cm. ② I16 型鋼拱架, 間距80cm. ③WTD25 錨桿, L = 400cm , 間距100cm , 按梅花形布置.21 二次襯砌: 由厚50cm , C25 素砼變更為40cm 厚, 單層鋼筋網(wǎng)靠圍巖設(shè)置, 環(huán)向主筋<18 , 中距25cm ; 縱向鋼筋<8 , 中距25cm , 保護(hù)層315cm. 31 仰拱: 取消隧道底初期支護(hù)及預(yù)留變形量, C25 防水砼仰拱厚由015m 變?yōu)?16m ; 中部填充層由C10 砼變?yōu)镃10 片石砼, 厚度由2133m 提升至1135m. 支護(hù)具體情況見圖1. 為便于施工, 該段隧道采用三臺(tái)階法, 分17 道工序完成, 具體情況見圖2.
2 結(jié)構(gòu)計(jì)算211 地層材料性態(tài)的模擬
地層材料可選用的模型有各向同性線彈性、非線彈性及彈塑性體等. 一方面, 由于2D2σ分析軟件中的彈塑性模型很難收斂, 即使收斂, 計(jì)算誤差也很大; 另一方面, 圍巖是堅(jiān)硬的玄武巖, 其彈性模量很大, 因此可以近似地把圍巖體按線彈性模型、平面應(yīng)變單元來考慮. 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)按《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中Ⅲ 類圍巖的物理力學(xué)指標(biāo), 取值如下:
圖1 橫斷面設(shè)計(jì) 玄武巖: E =5 ×105N/ cm2 , μ =0125 , r = 01022N/ cm3 , c = 30N/ cm2 , < = 45° . 圍巖的側(cè)壓力系數(shù)λ將按λ= (1 -μ)/ μ 自動(dòng)生成.
212 支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料性態(tài)模擬
對(duì)于本計(jì)算截面, 支護(hù)結(jié)構(gòu)主要有錨桿、鋼拱架、噴射砼和模筑二次襯砌, 所有支護(hù)結(jié)構(gòu)均假設(shè)為彈性體. 對(duì)于錨桿的作用機(jī)理, 在軟件中用錨桿單元來模擬; 噴射砼與鋼拱架實(shí)際上是緊裹在一起, 共同變形、共同受力, 因此, 可把噴射砼與鋼拱架按照同一實(shí)體單元來考慮, 該實(shí)體的參數(shù)按照綜合參數(shù)來考慮; 而二次襯砌與初期支護(hù)間被防水板隔開, 二次模注襯砌可以按照梁?jiǎn)卧獊韱为?dú)考慮. 各單元的參數(shù)取值如下:
C25 噴射砼( 綜合參數(shù)): E =3114 ×106N/ cm2 , μ =01167 , r =010369N/ cm3 , c = 22315N/2cm , < =531526°. <25 錨桿: E = 211 ×107N/ cm2 , < = 215cm , l = 400cm. 二次襯砌(按梁?jiǎn)卧紤]): E = 2185 ×107N/24cm , μ= 01167 , I = 5133 ×105cm , A = 4 000cm2. 仰拱(按梁?jiǎn)卧紤]): E = 2192 ×106N/ cm2 , 42μ= 01167 , I = 1197 ×106cm , A = 611832 ×103cm . 213
有限元模型的建立
分析范圍選取以洞軸線為基準(zhǔn), 三倍洞徑范圍作為有限元的分析范圍[ 2 ] , 左側(cè)延伸到65m , 右則延伸到左、右兩洞的中心線, 為35m , 上下部分分別延伸到65m. 分析區(qū)域的左、右邊界只有水平方向的約束( X 方向), 上部為自由面, 下部只有豎直方向約束( Y 方向). 根據(jù)結(jié)構(gòu)情況, 采用平面應(yīng)變單元, 彈性模型進(jìn)行計(jì)算. 圍巖體、初期支護(hù)、二次襯砌、錨桿等的結(jié)構(gòu)自重, 計(jì)算中程序可以根據(jù)容重γ值自動(dòng)加載. 該模型共劃分為2 622 個(gè)單元, 7 975 個(gè)節(jié)點(diǎn). 計(jì)算中的第一步是模擬隧道未開挖時(shí)的原始地應(yīng)力狀態(tài), 在分析區(qū)域頂部施加132N/ cm2 的應(yīng)力, 模型見圖3 —圖6. 隨著計(jì)算過程的發(fā)展(按圖2 的施工過程, 模擬圍巖開挖, 施作支護(hù)等階段), 逐步減去圍巖體單元, 加入錨桿單元、砼單元(模擬初期支護(hù)) 、梁?jiǎn)卧?模擬二次襯砌).
3 計(jì)算結(jié)果分析
選取有代表性的A 、B 、C 、D 、E 、F 、G 點(diǎn)(圖2) 作為分析對(duì)象. 從計(jì)算結(jié)果來看, 隨著開挖步驟的進(jìn)行, 隧道圍巖拱頂下沉量不斷增加, 錨桿軸力也逐漸增大. 在整個(gè)施工過程中, 拱頂圍巖下沉總量最大, 為0177cm , 在規(guī)范許可范圍內(nèi), 可以判定圍巖在整個(gè)施工過程中處于穩(wěn)定狀態(tài). 錨桿的最大軸力也只有34470N , 小于錨桿的抗拉強(qiáng)度; 噴射砼層, 除了第三階段B 、C 兩處壓力較集中, 砼內(nèi)部可能壓壞外, 其他階段砼的抗壓強(qiáng)度都可以滿足要求, 但是C 、E 兩處可能會(huì)因?yàn)榭估瓘?qiáng)度不夠而出現(xiàn)開裂或局部掉塊, 但不會(huì)危及到整個(gè)斷面. 從監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)分析, 拱頂?shù)南鲁亮恳不旧鲜浅手饾u增加的趨勢(shì); 上臺(tái)階開挖過程中, 拱頂下沉量只有01177cm ; 中臺(tái)階開挖過程中, 拱頂下沉量增加到01312cm ; 最后, 拱頂下沉量穩(wěn)定在01376cm 的位置. 實(shí)際監(jiān)測(cè)的拱頂下沉值比理論計(jì)算的要小, 主要是由于在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中, 從上臺(tái)階開挖到第一次測(cè)量需要一段時(shí)間, 這段時(shí)間的拱頂實(shí)際位移值就是不可知的. 但是, 中臺(tái)階和下臺(tái)階開挖時(shí)拱頂下沉的監(jiān)測(cè)值和計(jì)算波動(dòng)值分別為01135cm 、01064cm 和01132cm 、01061cm , 兩者相差較小, 因此, 數(shù)值模擬基本上是與實(shí)際物理過程同步的. 各階段施作時(shí), 圍巖位移, 噴層應(yīng)力, 錨桿軸力的計(jì)算值分別列于表1 、表2 、表3. 具體分析如下.
圖3 有限元計(jì)算模型圖4 仰拱施作后主應(yīng)力σ1 圖(N/ cm2)
圖5 仰拱施作后主應(yīng)力σ2 (N/ cm2) 圖6 仰拱施作后錨桿軸力(N) 表1 洞周圍巖位移變化(單位: cm)
該階段除了C、E 兩點(diǎn)拉力較大, 此處初期支護(hù)可311 上臺(tái)階開挖能局部開裂或掉塊外, 整個(gè)結(jié)構(gòu)基本上處于穩(wěn)定狀監(jiān)控量測(cè)的上臺(tái)階開挖后, 地應(yīng)力釋放55 % 態(tài). (主要根據(jù)的位移釋放比率確定), 拱頂?shù)奈灰浦底?14 仰拱施作大, Ux =-01006cm , Uy =-01329cm. 但是, 拱仰拱的施作除了對(duì)F、G 兩點(diǎn)的錨桿軸力影響頂處基本沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力, 而拱腳的壓應(yīng)力較大, 較大外, 對(duì)其他各點(diǎn)各因素的影響都比較小. F、達(dá)到1252N/cm2. G 兩點(diǎn)分別由原來的-17 793N 和-19 521N 的受壓
上臺(tái)階施作初期支護(hù)后, 地應(yīng)力全部釋放, 拱狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?5 436N 和13 169N 的受拉狀態(tài), 反映頂?shù)奈灰浦颠M(jìn)一步增大, 最大值達(dá)到Ux = 了錨桿通過發(fā)揮自身的強(qiáng)度來約束圍巖位移的作01008cm , Uy =-01574cm , 兩拱腳處的位移絕對(duì)值用. 初期支護(hù)的C、E 兩點(diǎn)仍然保持較高的拉應(yīng)基本相同, 但由于開挖洞室的矢跨比較小, 兩拱腳力, 此處初期支護(hù)仍有可能局部開裂或掉塊, 除此有向外擴(kuò)張的趨勢(shì). 該階段拱頂出現(xiàn)了拉應(yīng)力, 但之外, 整個(gè)結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài). 并不大, 只有6517N/ cm2 , 遠(yuǎn)小于拱頂初期支護(hù)所能承受的最大拉應(yīng)力190N/ cm2 , 但拱腳初期支護(hù)
4 結(jié) 語
內(nèi)側(cè)的壓應(yīng)力達(dá)到1 750N/ cm2 , 初期支護(hù)可能壓綜合以上結(jié)構(gòu)計(jì)算和階段分析, 可以得出如下壞. 錨桿的最大拉力為19 869N , 出現(xiàn)在A 點(diǎn). 該結(jié)論: 階段除了B 、C 兩角點(diǎn)由于應(yīng)力集中, 初期支護(hù)可11 從數(shù)值模擬分析, 小團(tuán)山大斷面公路隧道能局部損壞外, 整個(gè)結(jié)構(gòu)基本上處于穩(wěn)定狀態(tài). XK18 + 161 斷面在整個(gè)施工過程中除了C、E 兩處312 中臺(tái)階施作可能開裂或掉塊, 需要局部加強(qiáng)外, 整個(gè)斷面結(jié)構(gòu)中臺(tái)階施作完畢后, 拱頂圍巖的位移值進(jìn)一步處于穩(wěn)定狀態(tài). 增大, Ux =-01022cm , Uy =-01706cm , 初期支21 從表1 可以看出, 觀測(cè)點(diǎn)的位移釋放率隨護(hù)在C 點(diǎn)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力, 超過1 900N/ cm2 , 而著臺(tái)階約束的解除而逐漸增加; 同時(shí), 距觀測(cè)點(diǎn)距拱頂拉應(yīng)力基本被卸除. 中導(dǎo)拱腳處的壓應(yīng)力還離越遠(yuǎn), 臺(tái)階開挖對(duì)該點(diǎn)位移的影響越小. 拱頂A 是較大, 達(dá)到1 250N/ cm2 , 但是B 、C 兩點(diǎn)的應(yīng)力點(diǎn)的位移釋放率在上臺(tái)階施作時(shí)為7414 % , 中臺(tái)集中現(xiàn)象已消除, 最大壓應(yīng)力只有375N/ cm2. 該階施作時(shí)為9115 % , 下臺(tái)階施作時(shí)達(dá)到9914 % , 階段B 、C 兩點(diǎn)的錨桿軸力值增加較大, C 點(diǎn)的軸仰拱施作時(shí)該點(diǎn)位移只釋放了016 %. 從這一數(shù)據(jù)力值達(dá)到33 484N. 該階段除了C 點(diǎn)拉力較大, 此可以看出, 控制該段面施工安全的重點(diǎn)應(yīng)放在上臺(tái)處初期支護(hù)可能局部開裂或掉塊外, 整個(gè)結(jié)構(gòu)基本階和中臺(tái)階兩個(gè)施工階段上. 上處于穩(wěn)定狀態(tài).31 從圖6 和表3 可以看出, B 點(diǎn)和C 點(diǎn)附近313下臺(tái)階施作的錨桿軸力較大, 且桿件末端軸力也比較大, 說明此階段施作完畢后, 進(jìn)一步對(duì)拱頂圍巖的位移錨桿長(zhǎng)度不夠, 在這兩個(gè)部位應(yīng)該加大錨桿長(zhǎng)度. 值產(chǎn)生影響, 不過較之中臺(tái)階的影響小得多, A 點(diǎn)水平方向和垂直方向的位移分別達(dá)到-01025cm -01767cm. 此階段位移變化最明顯的是D 點(diǎn)和E [ 1 ] 點(diǎn). 初期支護(hù)在C 點(diǎn)和E 點(diǎn)繼續(xù)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力,[M] . .
1 工程概況
小團(tuán)山隧道位于昆(明) —石(林) 高速公路上單向三車道單向行駛的大斷面隧道, 下行線全長(zhǎng)1 195m , 位于R = 1 850m , Ls = 100m 的左轉(zhuǎn)曲線上; 上行線全長(zhǎng)1 125m , 位于R = 2761188m , Ls =100m 的左轉(zhuǎn)曲線上. 該隧道限界寬13175m , 限界高5m , 設(shè)計(jì)凈跨為14180m , 凈高為819m 的半圓拱曲墻斷面, 開挖面積為159m2 、凈空面積為105m2. 小團(tuán)山隧道的斷面跨度在國(guó)內(nèi)尚無先例, 其斷面形狀、結(jié)構(gòu)受力、圍巖穩(wěn)定性和施工方法均具有顯著的特點(diǎn). 筆者就小團(tuán)山隧道下行線的K18 + 161 斷面數(shù)值模擬. 對(duì)小團(tuán)山隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行分析. 小團(tuán)山隧道XK18 + 161 斷面埋深約115m , 圍巖是灰褐、黃褐色玄武巖, 巖石節(jié)理發(fā)育, 碎石—塊狀, 原設(shè)計(jì)時(shí)圍巖劃分為Ⅳ 類, 在施工過程中, 發(fā)現(xiàn)巖石節(jié)理很發(fā)育, 實(shí)際應(yīng)為Ⅲ 類圍巖. 在K18 + 161 位置, 兩洞中心間距70m 左右. 隧道圍巖開挖到該斷面時(shí), 毛洞高12110m , 寬1614m (不計(jì)超挖和預(yù)留變形量), 斷面形式為單心圓. 由于圍巖狀況較設(shè)計(jì)差, 施工中對(duì)隧道的支護(hù)參數(shù)作了進(jìn)一步優(yōu)化, 支護(hù)參數(shù)調(diào)整如下:11 初期支護(hù):
① 采用濕噴鋼纖維、微硅粉C25 砼, 厚20cm. ② I16 型鋼拱架, 間距80cm. ③WTD25 錨桿, L = 400cm , 間距100cm , 按梅花形布置.21 二次襯砌: 由厚50cm , C25 素砼變更為40cm 厚, 單層鋼筋網(wǎng)靠圍巖設(shè)置, 環(huán)向主筋<18 , 中距25cm ; 縱向鋼筋<8 , 中距25cm , 保護(hù)層315cm. 31 仰拱: 取消隧道底初期支護(hù)及預(yù)留變形量, C25 防水砼仰拱厚由015m 變?yōu)?16m ; 中部填充層由C10 砼變?yōu)镃10 片石砼, 厚度由2133m 提升至1135m. 支護(hù)具體情況見圖1. 為便于施工, 該段隧道采用三臺(tái)階法, 分17 道工序完成, 具體情況見圖2.
2 結(jié)構(gòu)計(jì)算211 地層材料性態(tài)的模擬
地層材料可選用的模型有各向同性線彈性、非線彈性及彈塑性體等. 一方面, 由于2D2σ分析軟件中的彈塑性模型很難收斂, 即使收斂, 計(jì)算誤差也很大; 另一方面, 圍巖是堅(jiān)硬的玄武巖, 其彈性模量很大, 因此可以近似地把圍巖體按線彈性模型、平面應(yīng)變單元來考慮. 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)按《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中Ⅲ 類圍巖的物理力學(xué)指標(biāo), 取值如下:
圖1 橫斷面設(shè)計(jì) 玄武巖: E =5 ×105N/ cm2 , μ =0125 , r = 01022N/ cm3 , c = 30N/ cm2 , < = 45° . 圍巖的側(cè)壓力系數(shù)λ將按λ= (1 -μ)/ μ 自動(dòng)生成.
212 支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料性態(tài)模擬
對(duì)于本計(jì)算截面, 支護(hù)結(jié)構(gòu)主要有錨桿、鋼拱架、噴射砼和模筑二次襯砌, 所有支護(hù)結(jié)構(gòu)均假設(shè)為彈性體. 對(duì)于錨桿的作用機(jī)理, 在軟件中用錨桿單元來模擬; 噴射砼與鋼拱架實(shí)際上是緊裹在一起, 共同變形、共同受力, 因此, 可把噴射砼與鋼拱架按照同一實(shí)體單元來考慮, 該實(shí)體的參數(shù)按照綜合參數(shù)來考慮; 而二次襯砌與初期支護(hù)間被防水板隔開, 二次模注襯砌可以按照梁?jiǎn)卧獊韱为?dú)考慮. 各單元的參數(shù)取值如下:
C25 噴射砼( 綜合參數(shù)): E =3114 ×106N/ cm2 , μ =01167 , r =010369N/ cm3 , c = 22315N/2cm , < =531526°. <25 錨桿: E = 211 ×107N/ cm2 , < = 215cm , l = 400cm. 二次襯砌(按梁?jiǎn)卧紤]): E = 2185 ×107N/24cm , μ= 01167 , I = 5133 ×105cm , A = 4 000cm2. 仰拱(按梁?jiǎn)卧紤]): E = 2192 ×106N/ cm2 , 42μ= 01167 , I = 1197 ×106cm , A = 611832 ×103cm . 213
有限元模型的建立
分析范圍選取以洞軸線為基準(zhǔn), 三倍洞徑范圍作為有限元的分析范圍[ 2 ] , 左側(cè)延伸到65m , 右則延伸到左、右兩洞的中心線, 為35m , 上下部分分別延伸到65m. 分析區(qū)域的左、右邊界只有水平方向的約束( X 方向), 上部為自由面, 下部只有豎直方向約束( Y 方向). 根據(jù)結(jié)構(gòu)情況, 采用平面應(yīng)變單元, 彈性模型進(jìn)行計(jì)算. 圍巖體、初期支護(hù)、二次襯砌、錨桿等的結(jié)構(gòu)自重, 計(jì)算中程序可以根據(jù)容重γ值自動(dòng)加載. 該模型共劃分為2 622 個(gè)單元, 7 975 個(gè)節(jié)點(diǎn). 計(jì)算中的第一步是模擬隧道未開挖時(shí)的原始地應(yīng)力狀態(tài), 在分析區(qū)域頂部施加132N/ cm2 的應(yīng)力, 模型見圖3 —圖6. 隨著計(jì)算過程的發(fā)展(按圖2 的施工過程, 模擬圍巖開挖, 施作支護(hù)等階段), 逐步減去圍巖體單元, 加入錨桿單元、砼單元(模擬初期支護(hù)) 、梁?jiǎn)卧?模擬二次襯砌).
3 計(jì)算結(jié)果分析
選取有代表性的A 、B 、C 、D 、E 、F 、G 點(diǎn)(圖2) 作為分析對(duì)象. 從計(jì)算結(jié)果來看, 隨著開挖步驟的進(jìn)行, 隧道圍巖拱頂下沉量不斷增加, 錨桿軸力也逐漸增大. 在整個(gè)施工過程中, 拱頂圍巖下沉總量最大, 為0177cm , 在規(guī)范許可范圍內(nèi), 可以判定圍巖在整個(gè)施工過程中處于穩(wěn)定狀態(tài). 錨桿的最大軸力也只有34470N , 小于錨桿的抗拉強(qiáng)度; 噴射砼層, 除了第三階段B 、C 兩處壓力較集中, 砼內(nèi)部可能壓壞外, 其他階段砼的抗壓強(qiáng)度都可以滿足要求, 但是C 、E 兩處可能會(huì)因?yàn)榭估瓘?qiáng)度不夠而出現(xiàn)開裂或局部掉塊, 但不會(huì)危及到整個(gè)斷面. 從監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)分析, 拱頂?shù)南鲁亮恳不旧鲜浅手饾u增加的趨勢(shì); 上臺(tái)階開挖過程中, 拱頂下沉量只有01177cm ; 中臺(tái)階開挖過程中, 拱頂下沉量增加到01312cm ; 最后, 拱頂下沉量穩(wěn)定在01376cm 的位置. 實(shí)際監(jiān)測(cè)的拱頂下沉值比理論計(jì)算的要小, 主要是由于在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中, 從上臺(tái)階開挖到第一次測(cè)量需要一段時(shí)間, 這段時(shí)間的拱頂實(shí)際位移值就是不可知的. 但是, 中臺(tái)階和下臺(tái)階開挖時(shí)拱頂下沉的監(jiān)測(cè)值和計(jì)算波動(dòng)值分別為01135cm 、01064cm 和01132cm 、01061cm , 兩者相差較小, 因此, 數(shù)值模擬基本上是與實(shí)際物理過程同步的. 各階段施作時(shí), 圍巖位移, 噴層應(yīng)力, 錨桿軸力的計(jì)算值分別列于表1 、表2 、表3. 具體分析如下.
圖3 有限元計(jì)算模型圖4 仰拱施作后主應(yīng)力σ1 圖(N/ cm2)
圖5 仰拱施作后主應(yīng)力σ2 (N/ cm2) 圖6 仰拱施作后錨桿軸力(N) 表1 洞周圍巖位移變化(單位: cm)
該階段除了C、E 兩點(diǎn)拉力較大, 此處初期支護(hù)可311 上臺(tái)階開挖能局部開裂或掉塊外, 整個(gè)結(jié)構(gòu)基本上處于穩(wěn)定狀監(jiān)控量測(cè)的上臺(tái)階開挖后, 地應(yīng)力釋放55 % 態(tài). (主要根據(jù)的位移釋放比率確定), 拱頂?shù)奈灰浦底?14 仰拱施作大, Ux =-01006cm , Uy =-01329cm. 但是, 拱仰拱的施作除了對(duì)F、G 兩點(diǎn)的錨桿軸力影響頂處基本沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力, 而拱腳的壓應(yīng)力較大, 較大外, 對(duì)其他各點(diǎn)各因素的影響都比較小. F、達(dá)到1252N/cm2. G 兩點(diǎn)分別由原來的-17 793N 和-19 521N 的受壓
上臺(tái)階施作初期支護(hù)后, 地應(yīng)力全部釋放, 拱狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?5 436N 和13 169N 的受拉狀態(tài), 反映頂?shù)奈灰浦颠M(jìn)一步增大, 最大值達(dá)到Ux = 了錨桿通過發(fā)揮自身的強(qiáng)度來約束圍巖位移的作01008cm , Uy =-01574cm , 兩拱腳處的位移絕對(duì)值用. 初期支護(hù)的C、E 兩點(diǎn)仍然保持較高的拉應(yīng)基本相同, 但由于開挖洞室的矢跨比較小, 兩拱腳力, 此處初期支護(hù)仍有可能局部開裂或掉塊, 除此有向外擴(kuò)張的趨勢(shì). 該階段拱頂出現(xiàn)了拉應(yīng)力, 但之外, 整個(gè)結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài). 并不大, 只有6517N/ cm2 , 遠(yuǎn)小于拱頂初期支護(hù)所能承受的最大拉應(yīng)力190N/ cm2 , 但拱腳初期支護(hù)
4 結(jié) 語
內(nèi)側(cè)的壓應(yīng)力達(dá)到1 750N/ cm2 , 初期支護(hù)可能壓綜合以上結(jié)構(gòu)計(jì)算和階段分析, 可以得出如下壞. 錨桿的最大拉力為19 869N , 出現(xiàn)在A 點(diǎn). 該結(jié)論: 階段除了B 、C 兩角點(diǎn)由于應(yīng)力集中, 初期支護(hù)可11 從數(shù)值模擬分析, 小團(tuán)山大斷面公路隧道能局部損壞外, 整個(gè)結(jié)構(gòu)基本上處于穩(wěn)定狀態(tài). XK18 + 161 斷面在整個(gè)施工過程中除了C、E 兩處312 中臺(tái)階施作可能開裂或掉塊, 需要局部加強(qiáng)外, 整個(gè)斷面結(jié)構(gòu)中臺(tái)階施作完畢后, 拱頂圍巖的位移值進(jìn)一步處于穩(wěn)定狀態(tài). 增大, Ux =-01022cm , Uy =-01706cm , 初期支21 從表1 可以看出, 觀測(cè)點(diǎn)的位移釋放率隨護(hù)在C 點(diǎn)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力, 超過1 900N/ cm2 , 而著臺(tái)階約束的解除而逐漸增加; 同時(shí), 距觀測(cè)點(diǎn)距拱頂拉應(yīng)力基本被卸除. 中導(dǎo)拱腳處的壓應(yīng)力還離越遠(yuǎn), 臺(tái)階開挖對(duì)該點(diǎn)位移的影響越小. 拱頂A 是較大, 達(dá)到1 250N/ cm2 , 但是B 、C 兩點(diǎn)的應(yīng)力點(diǎn)的位移釋放率在上臺(tái)階施作時(shí)為7414 % , 中臺(tái)集中現(xiàn)象已消除, 最大壓應(yīng)力只有375N/ cm2. 該階施作時(shí)為9115 % , 下臺(tái)階施作時(shí)達(dá)到9914 % , 階段B 、C 兩點(diǎn)的錨桿軸力值增加較大, C 點(diǎn)的軸仰拱施作時(shí)該點(diǎn)位移只釋放了016 %. 從這一數(shù)據(jù)力值達(dá)到33 484N. 該階段除了C 點(diǎn)拉力較大, 此可以看出, 控制該段面施工安全的重點(diǎn)應(yīng)放在上臺(tái)處初期支護(hù)可能局部開裂或掉塊外, 整個(gè)結(jié)構(gòu)基本階和中臺(tái)階兩個(gè)施工階段上. 上處于穩(wěn)定狀態(tài).31 從圖6 和表3 可以看出, B 點(diǎn)和C 點(diǎn)附近313下臺(tái)階施作的錨桿軸力較大, 且桿件末端軸力也比較大, 說明此階段施作完畢后, 進(jìn)一步對(duì)拱頂圍巖的位移錨桿長(zhǎng)度不夠, 在這兩個(gè)部位應(yīng)該加大錨桿長(zhǎng)度. 值產(chǎn)生影響, 不過較之中臺(tái)階的影響小得多, A 點(diǎn)水平方向和垂直方向的位移分別達(dá)到-01025cm -01767cm. 此階段位移變化最明顯的是D 點(diǎn)和E [ 1 ] 點(diǎn). 初期支護(hù)在C 點(diǎn)和E 點(diǎn)繼續(xù)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力,[M] . .
