隧道不同支護結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬二

1、第七章in級圍巖隧道不同支護方式的效果分析本章主要針對出2級圍巖三車道隧道下的不同支護方式效果進行分析，具體建立 四個隧道軸向51米、埋深150m的模型：平底隧道模型1、仰拱隧道模型2、平底隧 道拱腳設條形基礎(chǔ)模型3和平底隧道拱腳設支撐橫梁模型 4,對這四種情況進行數(shù)值 模擬計算，具體研究以下幾個方面的支護效果：.圍巖位移場分析：主要是豎向位移；.圍巖應力場分析：主要是豎向應力和水平應力；.圍巖塑性區(qū)范圍；.支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力：錨桿軸力、二次襯砌的受力、梁結(jié)構(gòu)受力。豎向位移分析平底隧道模型1和仰拱隧道模型2分析隧道開挖支護過程在不同程度上不可避免地會對圍巖產(chǎn)生不同程度的擾動和破壞， 從而引起位移場

2、的變化，因此，能夠時刻了解圍巖的變形情況對于保證施工安全、避免 工程事故都具有重要的指導作用。數(shù)值模擬研究中常常會把圍巖變形情況作為判斷圍巖 穩(wěn)定性的重要依據(jù)。本節(jié)給出圍巖在不同支護措施(模型1和模型2)情況下隧道最終開挖 支護完成后的目標斷面橫斷面豎向位移云圖，如圖7.1所示。由圖7.1 ,不論是平底隧道還是仰拱隧道，洞室周邊均表現(xiàn)為拱頂下沉，隧道底部突 起，邊墻向洞外擴散，并且仰拱隧道底部最大拱起值范圍及其微小。從整體來看，拱頂 部位和隧道底部、拱腳處是施工的主要控制部位，必要時應進行局部防護。圖7.1 (a)圖目標斷面y=23.5m處的最終豎向位移的最大沉降值發(fā)生在拱頂襯砌及 以上部分圍

3、巖，最大值為-2.6706mm隧道底部中心線附近的巖體產(chǎn)生了位移拱起，最大拱起值達到2.3172mm圖7.1 (b)圖中顯示的目標斷面最終拱部襯砌及以上圍巖豎向 最大沉降值為-2.6718mm,底部圍巖最大豎向拱起值為2.2605mm由此可知，仰拱與平 底隧道相比，由于仰拱隧道整體性相對較好，其底部最大豎向拱起值減少 2.5%,因此能 夠較好地抵抗隧道底部圍巖的拱起變形；但是仰拱在抵抗隧道拱頂下沉變形的方面作用 不太好，沉降值基本相同，說明仰拱的主要優(yōu)勢在于抑制底部受力變形。平底隧道加基礎(chǔ)梁模型3和平底隧道加支撐橫梁模型 4分析模型3平底加基礎(chǔ)梁和模型4平底底部加支撐橫梁,是在充分考慮仰拱隧道

4、作用 效果的基礎(chǔ)上，想要節(jié)約成本，縮短工期而采用的新型的工程模型。為比較兩種模型 的優(yōu)缺點，特采用與模型1、2相同的開挖和支護步驟，以及相同的參數(shù)取值，具體 參數(shù)取值見表7.2。圖7.2為模型3和模型4隧道最終目標斷面處的豎向位移云圖。9if iun Ifrtri慢!掃第也DD DMMt ana I 5Xh-aajuacte-QUwmcbSOLfi Inctin U*彗“*川Ml!-3 KMm* IMOac-fiMigDMG 3-fc I 戈如皿 MO幽二 DMADQJtCi lllIMfia brvd- Sta-OW- 七？2 Hg04cM , , ,：- :r-i-rXCC+H ：-HOC

5、vW!3- 5-DC-X3J : M：, ?3 =?：i H-l 魄GtW u -5 X/Xu-Ka3Doa(a)模型3橫斷面豎向位移云圖(b)模型4橫斷面豎向位移云圖圖7.2目標斷面豎向位移云圖由圖7.2可見：加基礎(chǔ)梁模型3和加基礎(chǔ)梁橫梁模型4,洞室周邊豎向位移分布規(guī)律 基本和模型1一致，而且在隧道底部三個模型豎向位移擴散范圍均比模型2要大些。統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，圖7.2 (a)圖中目標斷面處最終的最大沉降值仍發(fā)生在拱頂襯砌及 以上部分圍巖，最大值為-2.6744mm隧道底部中心線附近位移最大拱起值達到2.3188mm b)圖中顯示的目標斷面最終拱部襯砌及以上圍巖豎向最大沉降值為-2.6777mm

6、；底部圍 巖最大豎向拱起值為2.3185mm綜合分析綜合7.1.1和7.1.2可以得到表7.1四個模型中典型豎向位移值表。表7.1四個模型記錄目標斷面豎向位移最大值表(單位：mm)122131 ,2 ；41 :2 :沉降值-2.6706-2.6718-0.045%-2.6744-0.044%-0.043%-2.6777-0.06%-0.06%拱起值2.31722.2605-2.5%2.3188-0.07%0.071%2.3185-0.065%0.06%需要注意，表7.1中模型2與模型1比是指模型2相對與模型1的位移值比，如果 百分比為正則表示模型2相比于模型1增大；如果百分比為負則表示模型2相

7、比于模型1 減小。模型3,模型4類似。由表7.1有：在豎向沉降方面，四個模型基本一致。在控制隧道底部拱起豎起方面, 模型4也比模型3的作用效果要稍好一些，但不如仰拱模型2。植理J 11 管/型長幅睹3叵綃各模型目標斷面豎向位移曲線一沉F髓拱起值圖7.3各模型目標斷面豎向位移曲線圖由表7.1和圖7.3可知：五個模型在不同情況下的最大沉降值均接近于一條光滑的直線，最大拱起值基本也在一條水平線上。說明模型3和模型4在豎向沉降方面的優(yōu)勢已經(jīng)充分發(fā)揮。圍巖應力分析隧道開挖支護過程中，周圍巖石會產(chǎn)生各個方向的應力，一般有豎向應力szz、水平應力sxx、剪切應力sxz、最大主應力smax最小主應力smin等

8、，本節(jié)中主要研 究四個模型開挖支護完成后，目標斷面的豎向和水平應力的變化和規(guī)律。平底隧道模型1和仰拱隧道模型2分析DOX*-3h 4 HnADOEsh6 *mm 0M 嗚刪Carip-Ranagra ai avs Y Z Kte-IHIt a-IK 3 I9CIKiI ODH11由 =ITM E/QSKAnQr*P PnCwwof! 由。普曲1中幡ON： WhWIm pqhHFMKb ?DU(a)模型1橫斷面豎向應力云圖(b)模型2橫斷面豎向應力云圖圖7.4目標橫斷面豎向應力云圖由圖7.4平底和仰拱隧道的豎向應力分布規(guī)律大致相同，拱腰到拱腳部位出現(xiàn)最大壓應力，拱底中心線出現(xiàn)最大拉應力。模型1平

9、底隧道最大壓應力-7.5607MPa,最大拉應力1.0510MPq仰拱隧道最大壓應力-7.5503MPa,比模型1變化不大，最大拉應力1.0505MPq比模型1變化不大J L.-At snM IECw11 ClUM-HCl DiHRnwi N 4 EMT: q 5M z. ow2 Q 59i-EiH4U1CftikwSORn nm衣1 d曲岫GtwMri GkMwi!1 M也 Mg 35H1岫-1必珈Ml顯-岫T 23如廉 W-i比曲趣匕：地7卻防劃由-3 WhWI-E聞融地奧的-2 5HA qimrowa HKM91 蛇 S(a)模型1橫斷面水平應力云圖(b)模型2橫斷面水平應力云圖圖7.5

10、目標斷面橫斷面水平應力云圖圖7.5 (a)模型1水平應力云圖，水平壓應力的分布范圍很廣，水平壓應力最 大值-1.9120MPa,平底隧道只在底部中心出現(xiàn)拉應力，拉應力最大值238.13kPa；圖b)為仰拱隧道的，與1相比，最大壓應力分布范圍很小，基本出現(xiàn)在隧道左右拱肩 和拱腳處，但壓應力最大值-1.9138MPa,比卞g型1基本相同；拉應力分布區(qū)域也與模 型1有所不同，除了隧道底部外左右拱腰處也有，其最大值242.03kPa,比模型1增大 0.02%。7.2.2平底隧道加基礎(chǔ)梁模型3和平底隧道加支撐橫梁模型4分析/工品阿.i|ri?g HwvRnvtOt 博安MMdNTiM 33博kdaKri

11、l.EQDte4fiOaX0 網(wǎng)T-iHMflir4 awiz.驪DdlPMPt FMrwiSrirthS*1EE QHt-0曲 驗麒:2 Jr-DOI 4Gm loir DfTSZZOnteUC ta DQQCte*jgg &mmK -4Hr儺triari.- ggpftMffW1 t j 5mMwnZ WQ Ddl. JUME審通將*hm!i期gPW* 士!HvWI qg的Cmlmruf SZZPrw *uqfK QMMQC1-T3d*g b .?曰皿*1 ： ：. ： -i :二5 丁 :DM ：=!皿1.在 J 煙 i? J gOW通 -SOXWttia 口僦出旗 J-JuKlMM b

12、 -21斷雙 |金如皿-DXn 加1aaI aDGfMDDinagbW？a？MtDQ停Hn hUjc - tlXCM4M EradKtCMciMtan !-lnOMlU-I TUXDM ta-l SUMU-i jgmac a-i rdyui 叫警t nwhw -t-sws-wip 專 xnm卡 值8-0警a |的翎蹈7 3 wn UH4H3JMH舊虻的 KB Jai 五唱CoakHr M1 幻口（Hn orU ahc- DgOME Eractare ZriaJMan !-l iiqa g -1 7S3CMJKi ?gc4iu 匕- saxMKI JOpMU w ! JHtefOl；I WCXf

13、lM 姐-iT WWHW V ?T Bh5 v -fl QmwX w i個算漏出8 nTSttflW(a)模型3橫斷面水平應力云圖(b)模型4橫斷面水平應力云圖圖7.7目標橫斷面水平應力云圖圖7.7中模型3和模型4豎向應力與模型1基本一致，其目標斷面處的最大豎向 壓、拉應力分別為-1.9154MPa、226.5kPa。模型4目標斷面的最大豎向壓、拉應力分 別為-1.9156MPa、2.2069MPa綜合分析表7.2四個模型記錄典型應力值表目標斷面豎向應力(MPa目標斷面水平應力(MP9最大壓應力最大拉應力最大壓應力最大拉應力1-7.56071.0510-1.91200.2381-7.55031

14、.0505-1.91380.2420-7.57081.0925-1.91540.22654-7.57501.0985-1.91560.2207由表7.2五個模型中典型圍巖應力值表，結(jié)合圖7.8各模型最大拉應力處于一條 光滑直線上且接近于1,說明三級圍巖自承能力較好，各種支護方式對它的影響不大。結(jié)合圖7.9有，在水平拉應力方面也是近乎于一條光滑直線，各種支護方式影響 不大。最大壓應力 一大也應力各模型目標斷面豎向應力曲戰(zhàn)2. 0000000. 000000-2.000000T.000000-6l 000000-8, 000000最大壓應力最大拉應力模型各模型目標斷面水平應力曲線0L 500000

15、0. 000000丸覘。00-L.000000-1.5000C0圖7.8各模型斷面豎向應力曲線圖圖7.9各模型斷面水平應力曲線-2.000000塑性區(qū)范圍塑性區(qū)表示可能發(fā)生破壞的區(qū)域范圍，是應力符合屈服準則的區(qū)域。在用flaCD軟件模擬時，常常采用plot block state。一般來說，圍巖塑性區(qū)有一個發(fā)生、發(fā)展、 穩(wěn)定的過程，穩(wěn)定后的塑性區(qū)范圍與圍巖位移一樣，是圍巖應力狀態(tài)和巖體強度關(guān)系 的反映，是地應力和圍巖強度的綜合指標。圖 7.10、圖7.11反映了在不同支護條件 下，圍巖塑性區(qū)大致分布情況。塑性區(qū)標識是用不同的顏色來顯示區(qū)分的。這兩種類型的破壞機制是拉伸破壞 (tensile f

16、ailure) 和剪切破壞(shear failure) : shear-now表示當前處于剪切破壞； shear-past 表示過去處于剪切破壞；tension-now 表示當前處于張拉破壞； tensionr-past表示過去處于張拉破壞。(簡寫：n-表示現(xiàn)狀態(tài)，p-表示過去狀態(tài))。平底隧道模型1和仰拱隧道模型2分析瑁為例仃麗勘/褥A a Xfo-OXiXDUGYDDCG上 6*MIXIDOQ修旺 U4 4FT4 !物.iiw-n rtur-p s:* Urtt Me*. h.MH yte riTMTHarinnaX0加Y ZMObhXiIY3 網(wǎng)1 q Amdoi1dg%岫恥+.H必勖R

17、lhdc知帆 BarMT-r -w-f叫配市強亂4|埼小2 IK k/Minin Mh wSa1 f(a)模型1最終開挖步塑性區(qū)圖(b)模型2最終開挖步塑性區(qū)圖圖7.10模型1和模型2最終開挖的塑性區(qū)范圍圖由圖7.10模型1和模型2所出現(xiàn)的塑性區(qū)主要集中在拱腳部分以及隧道的頂部 圍巖區(qū)域，這主要是由于二次襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性模型，圍巖采用霍克布朗模型且?guī)r體 強度較高的原因，并且三級圍巖要比四級圍巖自承能力好很多。塑性區(qū)自然也就少。另外，隧道并未見正處于剪切和拉伸破壞區(qū)域，隧道內(nèi)部基本都已穩(wěn)定；而平底 隧道上部塑性區(qū)域明顯大，說明仰拱隧道由于其施工時整體性相對較好，除邊緣受外 界環(huán)境影響外，其塑性區(qū)

18、范圍較少。從圖 7.10 (a)可以知道，待隧道全部開挖支護 結(jié)束后，塑性區(qū)基本穩(wěn)定，周圍巖體處于彈性狀態(tài)的塑性單元數(shù)相對較多。模型 1最 終統(tǒng)計的塑性單元總體積為 22.12m3/m,圖7.10 (b)模型2最終統(tǒng)計的塑性單元總 體積為 19.67m3/m。平底隧道加基礎(chǔ)梁模型3和平底隧道加支撐橫梁模型4分析由圖7.11 (a)可知，隧道拱部二次襯砌部分全部已經(jīng)穩(wěn)定，隧道底部開挖17m以后部分區(qū)域仍處于剪切破壞狀態(tài)，而且與模型1和模型2相比底部拱腳及以下圍巖 部位塑性區(qū)范圍顯著減少，說明在隧道底部每隔3m施加一根基礎(chǔ)梁可以抑制或者減少底部圍巖變形與破壞的發(fā)生。模型 3最終統(tǒng)計的塑性單元總體積

19、為19.92m3/m。圖 7.11 (b)隧道底部加支撐橫梁，雖然會使得拱腳部位應力集中現(xiàn)象明顯，但是由于 其彈性模量的提高，圍巖塑性區(qū)或曾經(jīng)進入塑性階段的區(qū)域比平底隧道明顯減少，在底部一部份存在塑性區(qū)。模型 4最終統(tǒng)計的塑性單元總體積為19.72m3/m。（a）模型3最終開挖步塑性區(qū)圖（b）模型4最終開挖步塑性區(qū)圖圖7.11模型3和模型4最終開挖的塑性區(qū)范圍圖綜合分析表7.3開挖結(jié)束后的塑性單元總體積表（每延米）（單位：m3/m）模型shear-nowtension-nowshear pasttension pastvolume of plastic zones10.1621.960022.

20、1220.1119.560019.67與1比降率-31.25%-10.93%00-11.07%30.1419.780019.92與1比降率-12.5%-9.93 %00-9.95 %與2比降率27.27%1.12%001.27%40.0619.660019.72與1比降率-62.5%-10.47%00-10.85%與2比降率-45.45%0.51%000.25%表7.3中與1比降率是指模型2、3、4、相對于模型1產(chǎn)生的塑性區(qū)單元總體積 的降低率，與2比降率是指模型3、模型4相對于模型2產(chǎn)生的塑性區(qū)單元總體積的降低率。根據(jù)表7.3模型4和模型3塑性區(qū)體積與仰拱相差不大，說明平底加基礎(chǔ)梁和橫 梁的

21、設置是可以減少圍巖塑性區(qū)的范圍，增強其整體穩(wěn)定性。模型3和模型4塑性區(qū)體積比模型2略大，但是變化不大，說明設置基礎(chǔ)梁、基 礎(chǔ)梁和橫梁均能夠達到取消仰拱，增強圍巖穩(wěn)定性，并減小塑性區(qū)范圍的作用。錨桿軸力平底模型1和仰拱模型2分析通過 plot sel cable force命令，得到模型開挖支護完成后的錨桿軸力圖如圖7.12所示。BHfiJ 加向仲Et加中CMrRMxnX E訪刖 R蜘JZM1 IS*+W d 疔hr Z2SBAiiiJFwe- 口DH3UCaterEanK EhRnL 2黜9MI1 HWZU士 鄉(xiāng)a/%（a）模型1開挖完成后錨桿受力圖（b）模型2開挖完成后錨桿受力圖圖7.12各

22、模型開挖完成后錨桿受力圖直觀來講，錨桿的軸力值可以很好的反映錨桿支護的作用效應。不同模型下的錨桿軸力是略有不同的，具監(jiān)控點布設在斷面的拱頂、拱肩、左右拱腰及拱腳，并對其逐一編號,分別為D C、E、B、F、A、G點，見圖7.13。錨桿軸力數(shù)值模擬結(jié)果見表7.4D圖7.13錨桿軸力監(jiān)測點布置圖表7.4模型1各關(guān)鍵點錨桿軸力（單位：KN)關(guān)鍵點ABCDEFG軸力值6.1326.3596.3346.1906.3346.3596.132表7.5模型2各關(guān)鍵點錨桿軸力（單位：KN)關(guān)鍵點ABCDEFG6.1326.3536.3436.1896.3436.3536.132圖7.14隧道關(guān)鍵點處錨桿軸力變化曲

23、線從表7.4、7.5及圖7.14 :模型1和模型2在關(guān)鍵點處的錨桿均受拉，并且由于 三級圍巖較完整，所以各處錨桿受力變化不大。隧道斷面各關(guān)鍵點處總體上基本呈現(xiàn)拱腰處最大，拱頂次之，拱腳處最小。其中，錨桿軸力值在拱頂、拱肩處相差不大。因此，工程上有時可將拱腳處錨桿 除去，采用對部分圍巖進行局部錨桿支護的方法。這樣既不會破壞隧道整體結(jié)構(gòu)的安 全性，又可以充分發(fā)揮圍巖的自撐能力，節(jié)省材料，縮減工序，加快施工進度。平底隧道加基礎(chǔ)梁模型3和平底隧道加支撐橫梁模型4分析模型3和模型4開挖支護完成后的錨桿軸力圖如下 7.15所示。x oonMDXi i non rt DoraA GWCM 3 1CMS: %

24、 *TTbkAxNFa優(yōu).anicni i gm 工 LEMEJnT 1-30921 4 ISOpH. 11 CMS!11. 1T?E 3輛iriYuMi 性土中Mg lw於當圖7.15各模型開挖完成后錨桿受力圖模型3和模型4的錨桿軸力數(shù)值模擬結(jié)果見表 7.6 o表7.6模型3各關(guān)鍵點錨桿軸力（單位：KN）關(guān)鍵點ABCDEFG軸力值6.1326.3336.3276.1776.3276.3336.132表7.74（單位：KN)關(guān)鍵點ABCDEFG6.1056.3406.3346.1876.3346.3346.157模型-各關(guān)鍵點錨桿軸力6.6.66.NWTglfcs.4.3.2J 6 書S6.&

25、6,SNwrffit第模型-各關(guān)鍵點錯桿軸力G F E D CB A關(guān)鍵點關(guān)鍵點圖7.16隧道關(guān)鍵點It錨桿軸力變化曲線從表7.6、7.7及圖7.16可知：模型3、4在關(guān)鍵點處的錨桿均受拉。拱腰處最大，模型3錨桿軸力最大值位于拱腰，為 9.313KN,模型4錨桿軸力最大值為拱腰。隧道斷面各關(guān)鍵點處仍符合：拱腰處最大，拱頂次之，拱腳處最小的分布規(guī)律。其中，錨桿軸力值在拱頂、拱肩處相差不大。綜合分析隧道各關(guān)鍵點錨桿軸力變化曲線關(guān)建點型型型模模模圖7.17隧道各關(guān)鍵點錨桿軸力變化曲線圖曲線7.17可得，錨桿軸力最大值分布規(guī)律大致相同，均為拱腰最大，拱肩、拱 頂次之，拱腳最小。由于錨桿打入圍巖內(nèi)部主要

26、起懸吊作用，因此五個模型均整體受 拉。模型1、模型2和模型3錨桿軸力在關(guān)鍵點處分布一致，相差非常接近，差值控制在1%左右；且明顯可以看出錨桿軸力最大值分布規(guī)律為：拱腳、拱腰處最大，拱肩 次之，拱頂處最小的分布規(guī)律。二次襯砌按照現(xiàn)代支護理論和新奧法的施工原則，在圍巖和初期支護基本穩(wěn)定以后常施作 二次襯砌。本文主要分析在隧道開挖支護完成以后，二次襯砌結(jié)構(gòu)的施加對各模型豎 向應力和豎向位移的影響。襯砌豎向位移(b)模型2最終襯砌豎向位移圖(a)模型1最終襯砌豎向位移圖(c)模型3最終襯砌豎向位移圖(d)模型4最終襯砌豎向位移圖圖7.18各模型中襯砌的豎向位移云圖從圖7.18可以看出，隧道襯砌頂部豎向

27、沉降值最大，豎向位移從隧道頂部到底 部沿著邊緣深度遞減，最后出現(xiàn)正值。從豎向位移曲線7.19上看：各模型豎向最大沉降值基本無變化。五個模型中，模型2的位移拱起值最小，為2.2613 mm,比卞g型1減小2.5%,比,g型3、模型4減小2.4%左右；位移下沉值最小的是模型 1,為-2.6875mm,它比模型2、模型3、模型 4相比基本無變化。各模型二次襯砌最大豎向位移曲線3. 00000000L 0000沉降值拱起值0. 0000L 0000-2.0000-3.0000模型圖7.19各模型二次襯砌最大豎向位移曲線7.5.LS法戮畫豎向應力 守JtQTgM其中5SHPWniJrZlHHSx iMw

28、a SUtewX E-3XM M *4C!Aam# j巾時 f DBOD 金理網(wǎng)開 32汕MMrol塌Z 阿W n癡但 dK-IZricriAx *歲候號v，: w強不 naw %*口孫立心由城西就 口也即或H iCGXvMi n - ixo-sc t： : rcr4K 卿市壽有；泮一好1(IW I Qt-W5ftUL夢 X,-I4MCH1FgY 3JM4XDBXE-JXMWWX 2 mwt：肉I 4 開E !2!Mhjmr珊非ZQndrtMMK941f監(jiān)Iff * T m鼻用 4R0W52KWC2KMfc-H - IK4l*鼻力也.Het 1 DSJv-JX t I CGXV4KWinr I

29、4t-4MQWf E U rnqni! UH 用tnnSn*巧EUrmqniv UH 1副(a)模型1最終襯砌豎向應力圖(b)模型2最終襯砌豎向應力圖卬 W?S UKiBPveKhi aam 51 Mri Jtn Zl 315X 4IMb-Xl1 慟t.：-t工金絕力!1上題函M MMf 4 7rAhg Z3 waCujswrdfSZZ二士？亡千丁.4 K33u HDOi也口二立i+新十* 7； KOt-Xi X0C-12C FamAict： icGcmg; a ，詞即情融2 國MH 1gm I I3b-4MJ Rl75 NKtaFveKiniFl 戈1K Wd M V ：9修C*W x a

30、icuni慟皿T. ：TtB1Z：題媾M l 17M?4 7rz Z!mH翼工：一K：曲勢 b4 KM注 KM立 B-2 riVWn-KC - KMlr-W n OimOH-XCXWvXC-t 1DQZAMV5 1旅“we直 zmWK :汕*密 I Oa-dM(c)模型3最終襯砌豎向應力圖(d) 模型4最終襯砌豎向應力圖圖7.20各模型中襯砌的豎向應力云圖圖7.20反映出：五個模型中二次襯砌的豎向應力分布情況大致相同，拱腰到拱 腳部位出現(xiàn)最大壓應力，隧道底部中心線附近出現(xiàn)最大拉應力。各模型二次襯砌最大豎向應力曲線00002. 00001.00000. 0000-拉應力壓應力1.0000-2.0

31、000-3. 00007. 0000-5. 0000模型圖7.21各模型二次襯砌最大豎向應力曲線圖7.21所有模型的最大豎向壓應力和拉應力值基本一樣，兩者反映在曲線圖上 近似是一條平滑的直線，說明四種模型二次襯砌在豎向應力方面發(fā)揮相同的作用。模 型2、模型3、模型4和模型1二襯所受的壓應力和拉應力非常接近，相差非常小。 模型1所受最大壓應力值為-3.9700MPa,模型1所受最大拉應力值為2.2506Mpa。 次襯砌作為安全儲備結(jié)構(gòu)，受力應該越小越好，因此單獨分析二襯所有拉應力，模型 3、模型4與仰拱隧道和不加任何梁支護的平底隧道基本相同。7.6梁結(jié)構(gòu)變形和受力，工.Mr?1f、四以Cm Ji

32、rxtcxnY ?-CMDIT 3 900ziQ4MCk 3Nq 4FM 22SELOmctnkaU FOfci fz力HFiVCSEL SflVriUn*uh 3 3XM3iF HL R mmI淅也，工1fWKHMjw M1B1ICfiMi工 Q4EwOEII1416 M RCgllT3 300Z tQWWiQ4MM 22SELOmctn liK a 冠km Ftrfci fzUaftc * a DDM0D_*:電/1IliarMB由嶼址Uk - aIWrtMWTSELfllWffi_ 中1 *CSEL IfBvr加3靖（a）模型3條形基礎(chǔ)受力圖（b）模型4條形基礎(chǔ)加橫梁受力圖圖7.22模型

33、5結(jié)構(gòu)受力圖本文用sel beam命令創(chuàng)建了具有兩個簡單梁結(jié)構(gòu)的隧道來模擬工程中的橫梁和 基礎(chǔ)梁支柱。其中模型3為平底隧道底部加條形基礎(chǔ)梁，模型 4為平底隧道底部加基 礎(chǔ)梁和橫梁，模型中梁結(jié)構(gòu)受力如表 7.8所示。表7.8模型3和模型4中梁結(jié)構(gòu)受力變形值表剪力最大值（N）彎矩值（N m）模型fxfyf zMMM3004.281e+002001.284e-0034008.022e+002001.106e-002由表7.8可知，在整個開挖支護過程中，模型 3和模型4中x方向的彎矩為0, 由于模型是軸對稱受力；模型4所有受力都比模型3小，說明模型4比模型3能夠更 好的調(diào)整圍巖應力分配。單就梁結(jié)構(gòu)而言

34、，模型 4比模型3相對穩(wěn)定，對圍巖的支護 作用較好。7.7本章小結(jié)本章以FLAC3D有限差分軟件為依托，對出2級圍巖情況下的平底隧道（模型1）、 仰拱隧道（模型2）、平底隧道拱腳加基礎(chǔ)底梁（模型3）和平底隧道拱腳加支撐橫梁 （模型4）,這四種隧道底部支護形式進行了大量的數(shù)值模擬和研究。通過分析比較隧道開挖支護過程結(jié)束后目標斷面的圍巖豎向位移、圍巖最大最小主應力特點、塑性區(qū) 范圍和二次襯砌受力變形這四個方面，得到如下結(jié)論：.豎向位移方面田2級圍巖三車道隧道設置仰拱對隧道的豎向位移影響不大，對拱頂沉降的作用很小。從4種模型分析來看，平底隧道和仰拱隧道的拱頂沉降值相差不足1%,對拱底隆起有一定的作用

35、，設置仰拱后拱底隆起值明顯降低，比平底隧道降低2.5%左右,都低于10%,說明仰拱的主要優(yōu)勢在于抑制底部變形；模型4的支護效果綜合優(yōu)于其他三個模型；在豎向拱起方面，模型4也比卞g型3的作用效果要稍好一些，但不如仰拱 模型2。因此從豎向位移來分析，田2級圍巖三車道隧道可以采用平底隧道代替仰拱隧 道的形式。.圍巖最大最小主應力情況田2級圍巖無論平底隧道還是設置仰拱隧道，四種模型下的圍巖的最大主應力都 為拉應力，且拉應力值都很小且都集中在拱底處。平底隧道的拉應力值比仰拱隧道的 應力稍大，不足1%且平底隧道的壓應力值要比仰拱隧道的壓應力值小。各模型最大 豎向應力無明顯差異均處于一條光滑直線上且接近于

36、1,說明三級圍巖自承能力較好， 各種支護方式對它的影響不大。反而仰拱受最大水平壓應力要大于平底隧道，這可能 是仰拱隧道采用C30的混凝土圈材料造成的。.塑性區(qū)范圍塑性區(qū)伴隨隧道的開挖支護有一個發(fā)生、發(fā)展、穩(wěn)定的過程。對于田2級圍巖三車道隧道受開挖影響的塑性區(qū)體積來講，設置仰拱有明顯的優(yōu)勢，塑形區(qū)范圍降低了 11%左右，而模型3和模型4也剛好在10%左右，都在誤差范圍之內(nèi)。從這四種模型 分析來看，就塑性區(qū)體積而言，設置基礎(chǔ)梁、基礎(chǔ)梁和橫梁均能夠達到取消仰拱，增 強圍巖穩(wěn)定性，并減小塑性區(qū)范圍的作用。田2級圍巖三車道隧道可以不設仰拱。.二次襯砌受力變形狀態(tài)分析二襯的豎向位移和圍巖的豎向位移分布規(guī)律

37、一致，拱頂沉降，拱底隆起，無論是 平底隧道還是仰拱隧道，具頂部的沉降和底部的隆起值都非常小，符合二襯作為安全 儲備的要求。四個模型的二襯最大沉位移值基本無變化，模型 2的二襯位移拱起值最 小，模型1最大，模型3和4介于模型1和2之間。故從二襯的位移和應力角度分析， 田2級圍巖三車道隧道可以采用平底隧道代替仰拱隧道的形式；綜上所述：對于田2級圍巖三車道隧道，從隧道圍巖變形、應力分布和塑性區(qū)范 圍以及二次襯砌的受力變形分析來看，可以考慮取消隧道仰拱設置，采用平底隧道也 可以很好地控制隧道圍巖的變形，保證隧道的穩(wěn)定性。但對于隧道上部是田2級圍巖,而隧道底部圍巖較差（低于田2級）不能直接取消仰拱而不采

38、取其他措施。建議采用 平底隧道加基礎(chǔ)梁支護結(jié)構(gòu)對平底隧道進行優(yōu)化從而替代仰拱以保證隧道的長期穩(wěn) 定。同時，減少隧道施工時間，節(jié)約隧道建設成本。第八章結(jié)論及展望8.1結(jié)論本文主要對隧道底部動態(tài)圍巖分級及支護體系進行研究，針對河北省茅荊壩 （蒙冀界）至承德公路IV 2級圍巖兩車道、田2級圍巖三車道符合一定條件的隧道 取消仰拱的可行性，或采用隧道底部加基礎(chǔ)梁、隧道底部錨桿注漿和隧道底部加 橫梁等支護結(jié)構(gòu)替代有仰拱的襯砌斷面形式的可行性。這需要對隧道開挖過程及 運營后圍巖及支護結(jié)構(gòu)的受力、變形進行監(jiān)測分析，積累工程經(jīng)驗和工程實例， 為公路隧道設計規(guī)范（JTGD70）的修訂提供理論依據(jù)和工程案例。通過對

39、承赤高速17座隧道，83個斷面的動態(tài)施工勘測和圍巖分級（勘測 時間自2011年8月30日，至2013年4月20日），以及對十六標釣魚臺3號隧 道8個斷面和五標南溝隧道12個斷面，總共監(jiān)測20個斷面的所測數(shù)據(jù)的分析（監(jiān) 測時間自20121年5月19日，至2014年12月24日，共計32個月），得出以下 結(jié)論：本文對河北省茅荊壩（蒙冀界）至承德公路隧道詳細設計勘察報告中涉 及的IV、III級圍巖，進行施工勘探，統(tǒng)計分析國內(nèi)外隧道圍巖分級采用的指標， 調(diào)研了國內(nèi)近幾年公路隧道勘察設計中采用的圍巖分級指標，參考行業(yè)推薦標準公路隧道設計細則（JTG-TD70）提出的施工階段圍巖亞級分級標準，確定了 承赤

40、高速公路隧道圍巖亞級動態(tài)分級指標獲取指標的方法。巖石堅硬程度采用現(xiàn) 場點荷載試驗定量確定，巖體完整程度采用采用巖面聲波測試法定量確定，結(jié)構(gòu)面狀態(tài)現(xiàn)場統(tǒng)計測試，地下水和圍巖初始應力采用定性方法現(xiàn)場觀察確定。動態(tài) 圍巖分級好于原圍巖分級的比率為 49.4%,動態(tài)圍巖分級低于原圍巖分級的比率 為 21.7%。（2）通過試驗段現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，兩車道隧道在IV1級圍巖中不設仰拱采用平底支護結(jié)構(gòu)能夠保證施工安全，在較長時間的監(jiān)測過程未發(fā)現(xiàn)二襯有裂 紋或滲水現(xiàn)象出現(xiàn)，說明二襯支護安全穩(wěn)定；（3）試驗段現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明兩車道隧道在上部為IV2級圍巖底部為IV 1級圍巖中，采用平底支護結(jié)構(gòu)能夠保證施工和運營安全。（4）通過對試驗段長期監(jiān)測分析表明兩車道隧道在IV 2級圍巖中不設仰拱， 在底部加基礎(chǔ)梁或加底部橫梁結(jié)構(gòu)也能保證施工安全。 通過對比分析兩個不同隧 道底部支護方案監(jiān)測數(shù)據(jù)，隧道鋼拱架拱腳出的應變值、拱腳鎖腳錨桿軸力值和 二襯壓力值等，隧道底部加基礎(chǔ)梁優(yōu)于底部加橫梁。 因此，推薦兩車道隧道在IV級圍巖中采用不設仰拱底部加基礎(chǔ)梁支護結(jié)構(gòu)(5)通過對IV 2級圍巖兩車道隧道數(shù)值模擬分析，IV2級圍巖兩車道隧道可取 消仰拱，采用隧道底部加基礎(chǔ)梁、加橫梁或采用底部錨桿注漿等支護結(jié)構(gòu)。 進一