基于工程類比法的隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于工程類比法的隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

0對二次襯砌厚度取值jtj026-90對高速公路隧道的設(shè)計(jì)規(guī)范只有一個(gè)具體值，而對二次襯砌的厚度沒有具體數(shù)據(jù)，這意味著目前以工程類比為主要設(shè)計(jì)方法的隧道設(shè)計(jì)沒有價(jià)值參考。因此，設(shè)計(jì)師通常在二次襯砌厚度上值很大，這違反了新奧法設(shè)計(jì)施工的基本原則。以京秦高速公路青龍連接線逃軍山至冷口段4座隧道為例,原招標(biāo)文件中的襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)為:隧道襯砌采用復(fù)合襯砌形式,初期支護(hù)在Ⅱ、Ⅲ類圍巖中為錨桿、掛網(wǎng),噴錨混凝土厚為20cm,錨桿錨固長度不小于2.35m,梅花型布設(shè),掛網(wǎng)為Φ12鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距為20cm×20cm,在Ⅳ類圍巖地段不設(shè)錨桿和掛網(wǎng),直接噴射混凝土,而其模筑混凝土襯砌厚為70cm。顯而易見,二次襯砌厚度如此之大,違背了“巖承理論”的基本原理。1合理厚度的選擇本文經(jīng)采用工程類比法對初步設(shè)計(jì)優(yōu)化后,選用的隧道支護(hù)襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。2計(jì)算和分析結(jié)構(gòu)值2.1圍巖開挖、襯砌及加固圈模擬針對榆樹溝隧道的工況,選取了Ⅱ類圍巖淺埋、Ⅲ類圍巖及Ⅳ類圍巖3種不同的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。其中Ⅱ類與Ⅲ類圍巖共有5個(gè)施工步,分為上臺階開挖(工序1)、下臺階中央?yún)^(qū)開挖(工序2)、下臺階左區(qū)開挖(工序3)、下臺階右區(qū)開挖(工序4)及二次襯砌封閉(工序5)。Ⅳ類圍巖共有3個(gè)施工步,分為上臺階開挖(工序1)、下臺階開挖(工序4)及二次襯砌封閉(工序5)。各襯砌結(jié)構(gòu)類型的圍巖參數(shù)及混凝土參數(shù),依照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ026-90)取低值;對于錨桿注漿區(qū),按注漿范圍適當(dāng)提高加固圈參數(shù);圍巖和加固圈采用彈塑性體模擬;初期支護(hù)和二次襯砌按素混凝土,采用理想彈性體模擬。2.2次襯砌c、b軟件的模擬計(jì)算及分析對隧道開挖和初期支護(hù),采用適合于巖土工程的FLAC軟件進(jìn)行模擬計(jì)算;對二次襯砌采用ANSYS軟件進(jìn)行了分析計(jì)算。計(jì)算分3種襯砌結(jié)構(gòu)類型,以不同的襯砌結(jié)構(gòu)類型,建立不同的計(jì)算模型,其網(wǎng)格剖分見圖1。2.3結(jié)構(gòu)內(nèi)力n為了便于分析,用So表示結(jié)構(gòu)外側(cè)正應(yīng)力/MPa,Si表示結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)正應(yīng)力/MPa,兩者均以受壓為正;N表示結(jié)構(gòu)軸力/kN;M表示結(jié)構(gòu)彎矩/(kN·m);A為結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。二次襯砌的內(nèi)力與安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖2。由圖2可以看出,3種襯砌結(jié)構(gòu)類型的二次襯砌內(nèi)力都較小,最大軸力為165kN,最大彎矩為-15.97kN·m,且都發(fā)生在Ⅱ類淺埋斷面,二次襯砌的安全系數(shù)較大,可見二次襯砌是安全的。2.4拱腳處表面位移3.二次襯砌封閉后不同襯砌結(jié)構(gòu)類型的洞周位移計(jì)算結(jié)果見圖3(單位:mm)。(1)Ⅱ類圍巖淺埋襯砌周邊的最大位移(18mm)發(fā)生在拱腳處,邊墻收斂較小(12mm)。(2)Ⅲ類圍巖襯砌周邊的最大位移(12mm)發(fā)生在拱頂和仰拱處,邊墻收斂較小(4mm)。(3)Ⅳ類圍巖襯砌周邊的最大位移(6mm)發(fā)生在拱頂處,邊墻收斂較小(1mm)。比較表明,襯砌周邊位移最大的是Ⅱ類圍巖淺埋,其洞周位移最大值(18mm)發(fā)生在拱腳處,邊墻圍巖收斂較小;圍巖越好,周邊位移越小。3襯砌之間的壓力、混凝土應(yīng)力和收斂二次襯砌階段共布置了4個(gè)測試段,其內(nèi)容包括二次襯砌接觸壓力(即初期支護(hù)與二次襯砌之間的壓力)、混凝土應(yīng)力和凈空收斂。第1測試段K2+748斷面和第3測試段K3+413斷面為Ⅲ類圍巖深埋支護(hù)襯砌,第2測試段K3+248斷面為Ⅳ類圍巖支護(hù)襯砌,第4測試段K3+450斷面屬Ⅲ類圍巖淺埋段,按Ⅱ類圍巖支護(hù)襯砌。3.1收斂位移速率各測試段凈空收斂的量測結(jié)果見表2,從中可以看出,各測試段凈空收斂數(shù)值均遠(yuǎn)小于允許收斂值;從收斂位移速率來看,均達(dá)到圍巖基本穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn),表明圍巖是穩(wěn)定的,初期支護(hù)是可靠的。二次襯砌階段4個(gè)測試段的凈空收斂位移均小于1mm,且位移速率小于0.01mm·d-1,表明二次襯砌也是可靠的。3.2次襯砌接觸壓力各測試段二次襯砌階段接觸壓力的量測結(jié)果見表3,用實(shí)測圍巖壓力值推求的側(cè)壓力系數(shù)見表4。從表中所列數(shù)據(jù)來看,二次襯砌接觸壓力特點(diǎn)如下。(1)二次襯砌接觸壓力的量測值均遠(yuǎn)小于規(guī)范計(jì)算值,表明二次襯砌強(qiáng)度有較大的安全儲備。(2)二次襯砌的接觸壓力與圍巖類別有直接關(guān)系,如Ⅳ類圍巖的第2測試段的接觸壓力明顯小于其他3個(gè)測試段的壓力。(3)在二次襯砌的實(shí)測接觸壓力中,水平壓力均大于拱頂垂直壓力,這一點(diǎn)與現(xiàn)行公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于垂直壓力與水平壓力的計(jì)算有較大的出入。(4)用實(shí)測圍巖壓力值推得的Ⅱ、Ⅲ類圍巖側(cè)壓力系數(shù),與現(xiàn)行公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范基本一致,但Ⅳ類圍巖的結(jié)果與規(guī)范差別較大。3.3次襯砌混凝土應(yīng)力的測試各測試段二次襯砌混凝土應(yīng)力的量測結(jié)果見表5(單位:MPa),從中可以看出,二次襯砌混凝土的應(yīng)力有以下特點(diǎn)。(1)從二次襯砌混凝土的4個(gè)測試斷面上量測到的應(yīng)力都比較小,出現(xiàn)在第2測試斷面拱頂?shù)淖畲髩簯?yīng)力值僅1.56MPa(為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的12%)。(2)從二次襯砌混凝土的4個(gè)測試斷面上量測到的應(yīng)力均為壓應(yīng)力,這一點(diǎn)與理論分析結(jié)果是一致的。(3)二次襯砌混凝土應(yīng)力的量測數(shù)據(jù)表明,二次襯砌工作狀態(tài)良好,安全儲備較大,最大應(yīng)力部位的安全系數(shù)為8.7。4收斂位移對比(1)二次襯砌的內(nèi)力及安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表明:三種襯砌結(jié)構(gòu)類型的二次襯砌內(nèi)力都較小,最大軸力為165kN,最大彎矩為-15.97kN·m,且都發(fā)生在Ⅱ類淺埋斷面;二次襯砌的安全系數(shù)較大,可見二次襯砌是安全的。(2)洞周位移計(jì)算結(jié)果表明:Ⅱ類圍巖淺埋襯砌周邊的最大位移(18mm)發(fā)生在拱腳處,小于規(guī)范允許值(24mm),邊墻位移收斂較小(12mm);Ⅲ類圍巖襯砌周邊的最大位移(12mm)發(fā)生在拱頂和仰拱處,小于規(guī)范允許值(18mm),邊墻收斂較小(4mm);Ⅳ類圍巖襯砌周邊的最大位移(6mm)發(fā)生在拱頂處,小于規(guī)范允許值(12mm),邊墻收斂較小(1mm)。這說明3種襯砌結(jié)構(gòu)類型的洞周位移均小于規(guī)范允許值,隧道結(jié)構(gòu)是安全的。(3)凈空收斂量測結(jié)果表明:各測試段凈空收斂數(shù)值均遠(yuǎn)小于允許收斂值;從收斂位移速率來看,均達(dá)到了圍巖基本穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn),表明圍巖是穩(wěn)定的,初期支護(hù)是可靠的;二次襯砌階段4個(gè)測試段的凈空收斂位移均小于1mm,位移速率小于0.01mm·d-1,表明二次襯砌也是可靠的。(4)二次襯砌接觸壓力的量測值均遠(yuǎn)小于規(guī)范計(jì)算值,表明二次襯砌強(qiáng)度有較大的安全儲備。(5)從二次襯砌混凝土的4個(gè)測試斷面上量測到的應(yīng)力均為壓應(yīng)