某隧道岩体初始地应力场有限元反演分析

文章编号:100926825(2009)0420337202某隧道岩体初始地应力场有限元反演分析收稿日期:2008210207作者简介:赵　宇(19832),男,成都理工大学岩土工程专业硕士研究生,四川成都　610059赵　宇摘　要:首先对隧道初始地应力以及目前的获取方法做出概况性的阐述,同时,以某隧道工程为实例,通过有限元数值模拟的方法,结合岩体自重、构造应力及河谷下切等多种影响因素,对初始地应力进行了反演分析,以使所求应力值在测点的计算值和实测值达到较好的拟合。

关键词:隧道,地应力反演,有限元中图分类号:U452.12文献标识码:A 在地壳形成及后期发展演变的漫长过程中,由于构造运动、地下水作用、地温等外在影响,在地质体内部产生了复杂的初始地应力场。

这种初始地应力是山岭隧道围岩稳定性的主要影响因素之一,直接关系到隧道开挖后支护参数的选取以及可能发生的典型灾害,如岩爆、大变形等。

1　现阶段初始地应力获取方法地应力的获取最直接的办法是现场实测,目前常用的方法有声发射K aiser 效应法、水压致裂法、应力解除法等,但由于时间和经费的原因,现场测量往往只能选取某些典型测点进行测量,不能大范围应用。

因此,根据现场量测信息来反演初始地应力和岩体参数的反分析方法,为研究工程区初始地应力场提供了一条有效的路径[1]。

初始地应力的计算方法大致有以下几种[1]:1)边界荷载调整法;2)应力函数法;3)有限元数学模型回归分析法;4)三维有限元反演分析法等。

其中边界荷载调整法按照假定的计算域调整边界荷载,利用有限元求解域内的构造应力场和重力场。

经过试算使所求应力值在测点的计算值和实测值达到较好的拟合。

2　地应力反演工程实例2.1　工程概况某拟建隧道隧址区地处构造剥蚀深切割中山峡谷地带。

全长9.4km ,最大埋深1100m ,穿越寒武纪变质砂岩、板岩;奥陶纪行走程序如下:根据横坡找平桥梁顶面、铺设钢枕及轨道。

放松底模架,在底模架后横梁两侧的吊耳与外侧模走行梁之间安装倒链,将底模架悬挂在走行梁上。

拆除后吊带与底模架的连接,解除挂篮后端锚固螺杆。

轨道顶面安放两个倒链,在轨道上标计好前支座的位置。

倒链牵引前后支座使挂篮、底模架、外侧模一起向前移动,移动时挂篮后部设保险倒链。

就位后安装后吊带,与已浇段临时固结,将底模架吊起,在已浇梁段上安装外侧模滑移梁后吊轮。

用全站仪放样,调整挂篮位置及标高。

3)边跨合龙。

边跨合龙在最末悬浇段和边跨直线段完成后进行,采用支架法施工,浇筑前在最末悬浇段加配重,配重同合龙段重量。

安装相应预应力钢束,选择较低温度浇筑;浇筑混凝土时边浇筑边解除配重,待混凝土强度达到设计要求后,张拉相关钢束,注浆封锚;拆除支架完成第一次体系转换。

4)中跨合龙。

中间合龙段在边跨合龙并完成第一次体系转换后进行浇筑。

于合龙段两侧安装吊篮,安装水平劲性骨架,绑扎钢筋安装管道;浇筑前,拨出所有内衬管,穿好钢束,于两悬臂末端处进行压重,配重同合龙段重量,选择一天中最低温度浇筑,浇筑时逐级解除配重。

5)监控量测。

对每个悬臂浇筑节段,按六个工况观测高程:a.浇筑混凝土前;b.浇筑混凝土后;c.预应力张拉前;d.预应力张拉后;e.挂篮移动前;f.挂篮移动后。

同时还校核已浇相邻节段的标高,观测预拱度变化趋势;在浇筑混凝土前和挂篮移动后测量一次中线。

4　质量措施1)加强高程、轴线及挠度测量,每段箱梁施工后,整理出挠度曲线,以便决定下一段施工底模标高的调整。

2)梁段混凝土终凝4h ～6h 后,及时将接头面全部凿毛,以保证新旧混凝土的连接。

3)挂篮移动时按梁段长度、所处的曲线半径以及挂篮前后结构情况,精确计算确定前后支座横移量,就位以后进行校正,确保线型正确。

4)合龙前,相接的两个T 构最后2段～3段,在立模时进行联测,以保证合龙精度。

5　结语平阿高速公路园艺场跨线桥悬臂浇筑施工取得好的应用效果,作为青海省境内第一座悬臂浇筑桥,不仅内在质量符合设计要求,而且外观质量在平阿高速公路所有桥梁中也是最好的,是竣工验收评分为全线最高分的单位工程,受到建设单位和监理单位的一致好评。

该桥创下了目前国内采用悬臂浇筑桥梁中半径小、超高大之最,为同类桥型悬灌施工积累了一定的经验。

参考文献:[1]　徐永煌.预应力混凝土连续刚构桥悬臂施工控制研究[J ].山西建筑,2007,33(29):3242325.The pouring construction technology of small radius flat curve continuous steel bridge cantileverL IN Li 2junAbstract :Through the garden spot over bridge construction in Ping 2A express highway ,the pouring construction method and measures should be adopted in small radius flat curve continuous steel bridge cantilever were introduced.The practice proved that the bridge pouring construc 2tion had better applied effect.K ey w ords :small radius ,continuous steel bridge ,cantilever construction・733・ 第35卷第4期2009年2月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.35No.4Feb.　2009碎屑岩、页岩;志留纪泥岩夹砂岩;泥盆纪碳酸盐;石炭纪玄武岩;二叠纪碳酸盐;第三纪灰岩;第四纪覆盖物及燕山期、喜山期岩浆岩,岩性十分复杂。

受多期构造应力叠加影响,测区内断裂、断层、褶皱发育,深大断裂挽近期多次活动,构造裂隙发育,岩体破碎,多呈块体状、板片状,完整性差,空间上呈明显的各向异性。

为对整个工作区域的应力场情况进行预测与评价,在地应力实测点资料的基础上,建立计算模型,采用地质过程动态模拟的有限元数值分析方法,对工程区隧道岩体地应力场的形成演化规律与空间发育分布规律进行了数值模拟分析,获得了对工程区岩体初始应力场全面、系统的认识。

2.2　有限元模型建立隧道模型剖面见图1。

初始状态模型上表面为自由表面,底部约束垂直方向位移;模型隧道进口侧约束水平方向位移,同时在隧道出口侧施加水平构造应力σ构。

河谷下切成坡过程用四步由上至下的“开挖”来模拟,其中初始状态的计算模型上表面相当于海拔高程2500m ,基本与隧道所切剖面最高峰的高程相一致,代表了隧址区内两大河流河谷下切前的最后一级区域夷平面[2]。

为减少应力集中造成的影响,在隧道所在剖面进、出口两侧各加长400m ,隧道底部加厚500m ,计算域为18000m ×2000m (宽×高),单元数为2773个、节点数为8630个。

按现在地形地貌特征,模拟隧址区内两大河流不同的下蚀阶段,第一次下切深度400m ,第二次下切400m ,第三次下切400m ,最后下切至现在地形线,完成下切模拟,其最终状态的计算模型单元数为1513个、节点数为4848个(见图1)。

有限元模型计算中介质参数按照不同岩层来取,参照相关试验报告以及工程地质类比,初步确定模型中介质参数。

2.3　反演计算结果分析通过河谷不断下蚀的地应力场模拟,隧道通过部位剖面初始应力场成果如图2～图5所示,分析得到以下几点认识:1)河谷谷坡面附近法向应力大幅降低,成为最小主应力,切向应力为最大主应力,并在坡脚处有应力集中现象。

在山体浅部,应力场逐渐变为斜坡应力场。

2)断层对其附近应力场有一定影响,有应力降低、集中现象,断层带内应力降低,断层带两侧形成应力局部增高带。

3)隧道两端浅埋段,最大主应力为近水平方向,垂直应力较小,表明应力场是以水平应力为主的构造应力场;两端坡脚水平应力集中现象较明显,出现较大的水平应力。

沿隧道轴线,最小主应力随山体地形和断层影响而呈锯齿状增加。

4)隧道深埋超过700m 左右,近垂直应力成为最大主应力,过渡到重力场叠加构造应力的应力场。

最大主应力量级较高,基本上为20MPa ～25MPa 左右,隧道中部受地形和断层影响,出现振荡,变化幅度较大,为19MPa ～35MPa 。

最小主应力也出现波动,隧道中段附近受断层影响起伏较大,为10MPa ～18MPa ,均值约16MPa 。

参考文献:[1]　金艳丽,刘汉东.初始地应力场反演及回归分析方法研究[J ].隧道建设,2004(4):628.[2]　余卫平,杨　建,汪小刚.峡谷地区大型地下洞室群岩体初始地应力场反演分析[J ].水文地质工程地质,2007(2):20224.[3]　李 .连拱隧道围岩应力二次分配影响的控制[J ].山西建筑,2007,33(16):3332334.The inversion analysis for initial earth stress of the rock masses of one tunnelZHAO YuAbstract :This paper firstly introduce the initial ground stress of the rock masses and the methods how to get the stress at present.Then take a tunnel project as instance ,with the virtue of finite element method ,considering the effect of the gravity ,tectogenesis and the cut of river ,analysed the initial earth stress of the tunnel region ,to make the calculated value and the measured value of the obtained stress value in the measuring points better fitted.K ey w ords :tunnel ,earth stress inversion analysis ,finite element method・833・第35卷第4期2009年2月山西建筑 。