浅埋偏压隧道施工过程数值分析

到 稳定 后 ， 施 作 二 次 衬砌 。通 常情 况 下 ， 受浅 埋 、 偏 压 等 不 良地质 条件 的影 响 ， 隧道 二 次 衬 砌 结 构将 受 到 较 大 的 围岩应 力 ， 从而 需 要 对 二 次衬 砌 结 构 采 取 一定 的
至地 表 。此计 算模 型 中共 含有 网格 数 ９ ３ ２ １ ０ 个， 节 点
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Ｒａ ｉ ｌ ｗａ ｙ Ｅｎ ｇ ｉ ｎｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
文章编 号 ： １ ０ ０ ３ — １ ９ ９ ５ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ８ — ０ ０ ５ ８ — ０ ３
浅 埋 偏 压 隧 道 施 工 过 程 数 值 分 析
魏 海虹
（ 中 国铁 道 科 学研 究 院 标 准 计 量 研 究 所 ， 北 京 １ ０ ０ ０ ８ １ ）
摘要 ： 采 用有 限元分 析方 法对 一 浅埋 偏 压 隧道 开挖 施 工过 程 进行 三 维 数值 模 拟 分析 ， 研 究 围岩 变形 、 应 力及锚 杆轴 力 的变化 规律 ， 为 评估施 工 方 案 的合 理 性 提 供 依 据 。结 果表 明 ： 掌 子 面距 监 测 断 面 ≥１ ５ ｍ
数９ ９ ２ ６ ２ 个 。计算 模 型 的边 界 处 上 侧 为 自由边 界 外 ，
其余 各侧 均为 固定边 界 。
加 强措 施 。本工 程 中采用 设置 仰拱 结构 来提 高二 次衬
砌 的承 载力 。仰 拱 的设置 使得 二次 衬砌 结构 形成 了封
闭 的闭合 环 ， 从 而有 效 提 高 支 护结 构 整 体 抵 抗 变形 的
支护材料 的主要参数 为： ①锚 杆长度 ４ ｍ， 直 径
２ ０ ｍ ｍ， 沿 隧道 纵 向间 距 为 １ ． ０ ｉ ｎ ， 采 用 先 锚 固后 注 浆
的方 式施 工 ， 且 注浆 直 径 为 ４ ０ ｍ ｉ ｌ ｌ 。② 一 次衬 砌 结 构 采用 １ ５（ ３ １ １ １ ＂ 厚Ｃ ２ ０喷射 混 凝 土 。③ 钢 拱 架 采 用 Ｉ ｌ ８ 工 字钢， 沿隧道 径 向每 １ １ Ｔ Ｉ 布 置一 榀钢 架 。 在 隧道 完成 初期 支护 且 围岩与 支护 结构 的变 形达
作者简介 ： 魏海虹 （ １ ９ ６ ５ 一 ） ， 女， 北京人 ， 副研究员 。
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１ ） 随 着 隧道施 工 的推进 ， 当掌 子面 距 监测 平 面距 离 ＜１ ５ ｍ 时， 由 隧道 施 工 导 致 的 累 计 变 形 量 逐 渐 增
时， 监 测 断 面 的 累计 变 形 量 可 忽 略 不 计 ； 围岩 最 大 变 形 ＜１ ０ ｍ ｍ， 满足 设 计 要 求 ； 由于偏 压 作 用 隧道 断 面 Байду номын сангаас
周 围锚 杆 受 力分布 不均 匀 ， 最 大轴 向压 力 出现 在 隧道拱 顶 左上 方 ， 为２ ０ ． ２ ８ ｋ Ｎ 。
能力。 传 统 上采用 荷 载一结 构模 型进 行 隧道设 计 。该方 法 不能 有效 描述 隧 道 开挖 导 致 的 围岩状 态 、 地基 承载
力 及结 构 受力 的动 态 性 。此 外 ， 其 理 想 化 处 理 方式 往 往与 隧道 实际 的地质 条件 相差 较大 。本 文采 用大 型有 限元分 析 软件建 立 地层一 结构 计算 模 型分析 新奥 法施
６ ４ ０ ｍ。 隧道 内净跨 度 为 ９ ． ５ ｍ， 净高 ７ ． ９ ｉ ｎ 。 隧道 施
工 以新 奥法原 理 为基 础 ， 采 用 初 期 支 护 与二 次 衬 砌 复
合式 衬 砌结 构形 式 。隧道 处于 Ｖ级 围岩 与 Ⅵ级 围岩 的 过渡 区 ， 表层 多为 泥 质 粉 砂 岩 。隧 道 开 挖采 用 全 断 面 施工 方 法 。 初 期支 护 由锚 杆 、 钢 拱 架 及 喷射 混 凝 土 组 成 。各
２ 数 值 计 算 分 析
２ ． １ 计 算模 型
建 模 时假设 材料 连续 ， 均质 ， 各 向 同性 。 由于 隧道 施 工 过程 中周 围岩体 地层 变化 较小 ， 故取 ３ ０ ｍ长 的 隧 道段 进行模 拟 ， 模 型尺 寸 如 图 １所示 。为 保 证计 算 的
准确性 ， 整 体 计 算 模 型严 格 参 照 隧 道 施 工 图来 建 立 。 为减 小边 界条 件对计 算 结 果 的影 响 ， 模 型 水 平方 向 的 长度选 取 ８ ０ ｍ， 右侧 边界距 离隧 道开 挖 断 面外 轮 廓线 距 离 约为 ３ ５ Ｉ Ｔ Ｉ （ 约为 ３ ． ５ Ｄ， Ｄ为 隧道 开挖 断 面直 径 ） 。 下部 边界 取至 隧 底 下 ２ １ Ｉ Ｔ Ｉ （ 约为 ２ ． １ Ｄ） ， 竖 直 向上 取
１ 工 程 概 况
一
工 过程 中支 护结 构 与 围岩 的相 互作 用 ， 分 析 隧道 开 挖 过程 中洞 口及 洞顶 的变 形 情 况 ， 从 而 对 施 工过 程 中支 护 结构 的变 形进 行有 效 的控制 。
隧道 位 于 山体 坡度 为 １ ５ 。 ～３ ０ 。 的丘陵区， 全 长
关 键词 ： 浅 埋 偏 压 隧 道 数 值 模 拟 围 岩 变形 初 期 支 护 中图分 类号 ： Ｕ ４ ５ ５ ． ４ 文献标 识码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ３ — １ ９ ９ ５ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ８ ． １ ７
为使 数值 计算 与实 际施 工过 程具 有相 同的地应 力
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ５ — ０ ３ － ２ ０ ； 修 回 日期 ： ２ ０ １ ５ — ０ ６ — １ ３
图 １ 隧道计算模型尺寸 （ 单位： ／ ２ １ ）
条件 ， 初 始 阶段仅 考虑 模型 自重 进行平 衡模 拟 ， 得到 模 型 竖 向初始应 力 。