浅埋偏压隧道计算

浅埋偏压隧道支挡方案稳定性

数值模拟研究

中铁十四局集团有限公司

二○一○年六月

目 录

1 研究背景 .............................................................................................................................. 4 2 地层结构法设计原理 .......................................................................................................... 5

2.1 弹塑性有限元基本理论 ............................................................................................ 5 2.2 弹塑性增量的本构关系 ............................................................................................ 5 2.3 弹塑性问题的增量有限元理论 ................................................................................ 7 2.4 弹塑性问题的求解方法 ............................................................................................ 8 2.5 ANSYS模拟隧道施工过程 .................................................................................... 10

2.5.1 初始地应力模拟 ............................................................................................ 10 2.5.2 施工过程的模拟 ............................................................................................ 10 2.5.3 开挖工序的模拟 ............................................................................................ 12 2.5.4 地应力逐步释放的实现 ................................................................................ 12

3 浅埋偏压隧道支挡方案研究 ............................................................................................ 14

3.1 支挡方案 .................................................................................................................... 14 3.2 计算模型 .................................................................................................................... 15 3.3 设计及计算参数 ........................................................................................................ 17 3.4 计算结果 .................................................................................................................... 17

3.4.1 支挡方案一 .................................................................................................... 17

3.4.1.1 隧道施工引起围岩变形 ........................................................................ 17 3.4.1.2 初支受力状态 ........................................................................................ 18 3.4.1.3 初支安全度检算 .................................................................................... 20 3.4.1.4 塑性区分布特征 .................................................................................... 20 3.4.2 支挡方案二 .................................................................................................... 21

3.4.2.1 隧道施工引起围岩和支挡结构变形 .................................................... 21 3.4.2.2 挡墙基础沉降 ........................................................................................ 22 3.4.2.3 初支受力状态 ........................................................................................ 23 3.4.2.4 初支安全度检算 .................................................................................... 25 3.4.2.5 塑性区分布特征 .................................................................................... 25

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3.4.3 支挡方案三 .................................................................................................... 26

3.4.3.1 隧道施工引起围岩和支挡结构变形 .................................................... 26 3.4.3.2 挡墙基础沉降控制技术 ........................................................................ 27 3.4.3.3 初支受力状态 ........................................................................................ 27 3.4.3.4 初支安全度检算 .................................................................................... 29 3.4.3.5 塑性区分布特征 .................................................................................... 29

4 结论 .................................................................................................................................... 31

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1 研究背景

隧道偏压的形成与多种因素有关，《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）对偏压隧道形成条件考虑了地形（坡率n）、地质条件（围岩级别）以及外侧的围岩覆盖厚度（t）值三个因素虽然还有其它一些因素，但为了工程应用的方便，一般不作考虑本文基于隧道围岩覆盖厚度较小，在主要考虑地形条件和地质条件的情况下，讨论所形成的偏压浅埋隧道。

当隧道处于偏压受力的情况下，其力学计算方法不同于没有受偏压作用的情况，由于围岩处于偏压状态，相当于一边的水平约束减弱，初始地应力分布本身不均匀，在开挖过程中引起的围岩应力重分布对隧道支护体的影响与常规隧道相比明显不同，同时开挖对围岩稳定性也产生极不利的影响，因此施作支挡结构才能保证隧道结构稳定性，常用的支挡结构包括挡墙、超前管棚及灰土挤密桩。

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2 地层结构法设计原理

地层结构法的设计原理，是将衬砌和地层视为整体共同受力的统一体系，在满足变形协调条件的前提下分别计算衬砌与地层的内力，据以验算地层的稳定性和进行结构截面设计。目前计算方法以有限单元法为主，适用于设计构筑在软岩或较稳定的地层内的衬砌。

2.1 弹塑性有限元基本理论

依据土在受到外力作用时所表现出来的物理力学性质，通常可看作为弹塑性的，按照弹塑性理论来研究。当土体在较小外力作用时，其应力应变依从关系是线性的，遵循胡克定律，发生弹性变形。当外力逐渐增大，达到材料的屈服强度而使材料发生屈服时，应力应变依从关系是非线性的，材料进入塑性工作阶段后，其变形在外荷载卸除后不能完全恢复，其中不能恢复的残余变形部分称为塑性变形。在塑性工作阶段，材料的应力应变关系与所受的应力历史和路径有关。在本研究中所涉及到的材料主要是软塑土，表现为弹塑性性质。因此土的本构关系采用理想弹塑性应力－应变关系。

2.2 弹塑性增量的本构关系

弹塑性问题属于材料非线性问题，应变不仅依赖于当前的应力状态，而且与整个加载历史有关。从实际意义上讲，应力与应变关系只能是增量关系，相应的迭代解法也只能是增量形式的解。对于弹塑性问题，应变增量可以分为弹性应变增量d?e和塑性应变增量d?p，即

d??d?e?d?p (1)

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(a) 支挡方案一

(b) 支挡方案二

(c) 支挡方案三 图3-2 计算模型

3.3 设计及计算参数

初期支护采用20cm厚C25喷射混凝土，3.5m边墙锚杆（1m×1m），梅花形布置，4φ12钢筋格栅拱架。计算所采用的物理力学参数具体见表3-1。

表3-1 模型计算力学参数 材料 膨胀土 砂质黄土 超前支护 锚杆加固圈 初期支护 挡土墙 灰土剂密桩 密度/ Kg/m3 2000 2000 2000 2000 2500 2500 2000 弹性模量/MPa 50 50 60 60 29.5E3 29.5E3 150 泊松比 0.3 0.3 0.3 0.3 0.2 0.2 0.3 黏聚力/ KPa 35 28 33 42 —— —— 33.8 内摩擦角/ ° 23 45 53 28 —— —— 48 3.4 计算结果 3.4.1 支挡方案一

3.4.1.1 隧道施工引起围岩变形

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图3-3 隧道施工引起竖向位移

图3-4 隧道施工引起水平位移

由于左边坡使隧道左边横向约束变弱，位移云图如图3-3、图3-4所示。竖向位移较大，拱顶沉降4.73cm；水平位移相当不对称，左拱脚水平位移4.40cm，有拱脚为1.70cm。明显判别隧道处于不稳定滑坡带中，因此必须施加挡墙，才能保证隧道稳定性。

3.4.1.2 初支受力状态

图3-5 支护轴力 /N

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图3-6 支护弯矩 /N·m

从图3-5、图3-6得：边坡不作任何处理的情况下，由于偏压效应，在左拱脚和右墙脚处出现轴力集中；弯矩也显现左右不对称分布，右侧要大于左侧，支护承载力下降；支护结构处于很不利的受力状态，因此必须设置挡墙。

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图3-7 支护第一主应力 /N

图3-8 支护第三主应力 /N

从图3-7、图3-8可得：边坡不作任何处理的情况下，由于偏压效应，应力成不均匀分布：最大拉应力出现在左拱脚外侧，为6.05MPa，超过C25混凝土的极限抗拉强度；最大压应力出现在右墙脚内侧，为11.50MPa，小于C25混凝土的极限抗压强度（19.00MPa）。

因此必须对边坡进行处理，才能保证支护结构合理受力、安全。 3.4.1.3 初支安全度检算

支护结构典型截面安全系数见表3-3所示。

表3-1 初支结构典型截面安全系数

关键位置 轴力/kN 弯矩/kN·m 安全系数

拱顶

左拱腰

右拱腰 -294.7 0.06904 11.84

左拱脚 右拱脚 左边墙 右边墙 左墙脚 右墙脚 -380.8 52.573 0.92

-573.1 -19.55 4.01

-488.9 -0.49 7.05

-614.4 -13.54 4.25

-311.9 19.511 5.72

-443.8 -41.79 3.32

仰拱 -146.1 -27.45 1.22

-124.76 -348.52 31.66 0.85

-8.5626 7.29

由表3-1可得，结构受力极不均匀，不满足安全系数要求，因此，必须设置挡墙和管棚。

3.4.1.4 塑性区分布特征

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ik6f.html