隧道Ⅴ级围岩喷射混凝土衬砌厚度数值分析

2022-03-14 08:20:10 | 浏览次数：

摘要：喷射混凝土作为新奥法施工的三大必须手段之一，对洞室围岩起到支护的作用，其中喷射混凝土衬砌的厚度对围岩支护效果影响较大。本文针对公路隧道Ⅴ级围岩进行UDEC数值模拟，分析不同喷层厚度对围岩稳定性的影响。结果表明，对于Ⅴ级隧道围岩，要采用钢拱架、钢筋网、锚杆和喷射混凝土联合支护，且喷射混凝土厚度为25cm时，支护效果最好。研究结果为隧道初期支护施工设计提供了科学依据和参考。

Abstract： As one of three essential means of the new Austrian method constructional， the shotcrete construction plays a supporting role in the surrounding rock， and the shotcrete lining thickness has a great effect on the supporting effect of the surrounding rock. The UDEC numerical simulation for Class-V surrounding rock in tunnels is taken to analyze the influence of different shotcrete thickness on the stability of the surrounding rock. The results show that for Class-V surrounding rock in tunnels， when using the steel arch， steel mesh， bolt and shotcrete for combined support and shotcrete thickness is 25cm， the supporting effect is best. The results provide scientific basis and reference for initial supporting construction design of the tunnel.

关键词：喷射混凝土；衬砌厚度；数值分析；围岩稳定；联合支护

Key words： shotcrete；lining thickness；numerical analysis；stability of surrounding rock；combined support

中图分类号：U452.1+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）13-0150-03

1 UDEC简介

基于牛顿第二定律建立起来的剛体离散单元法在1971年提出之初主要用在岩石边坡运动的分析和研究中，之后又推广应用到准静力或动力条件下节理系统或块体集合的力学研究中。假设块体为准刚度体，节理或弱面控制影响着块体的运动。将节理岩体看作由裂隙切割的非连续介质，相互切割的裂隙将岩体分成相互独立的块体单元，单元之间可以看成是角-角接触、角-边接触或边-边接触。块体间的边-边接触可分解为由两个角-边接触而成，并且随着单元的平移和转动，允许调整各个单元之间的接触关系，最终块体单元可能达到平衡状态，也可能一直运动下去。

离散单元法可以对由不同块体构成的整体进行应力、应变的分析计算，各不同块体之间通过接触点的耦合作用实现连接。目前许多类型的岩体，在构造弱面的强度和刚度都不及岩石本身，基于这点来看，为了排除更多具有不确定性（自由度）的研究对象，一般都将各不同岩石块体假设为刚性，则各接触点或接触面发生的变形就是决定结构位移总量的主要因素。此时所采用的研究对象通常被认定是不同离散块体的堆砌，但是如果参照位移与力的关系式来解析块体之间的相互作用力，会发现单个块体的运动状态与牛顿运动定律是一致的，也就是说力与力矩相互平衡。构建数值分析模型时，应该注意平衡方程、变形协调方程以及本构方程的解算要求，同时还要兼顾一些边界条件。严格来讲，离散元块体之间不存在相互的约束关系，彼此之间没有变形协调的约束作用，从这点来看，构建数值分析模型时只需考虑物理方程和运动方程的约束条件即可。

2 模拟方案设计

采用离散元数值软件UDEC，基于摩尔-库伦准则为屈服条件，建立二维离散元数值模型。分析公路隧道Ⅴ级围岩情况下，不同喷射混凝土层厚度对围岩的支护效果，建立统一的数值模型尺寸和形状。选取喷层厚度作为变量，进行数据分析处理，研究喷射混凝土厚度的支护效果差异，从而确定最优的喷层厚度[1-4]。

隧道断面采用三心圆，尺寸采用四车道的标准设计路基宽为12.25m，R1=6.5m，R2=5.5m。依据JTG D70-2004《公路隧道设计规范》，Ⅴ级隧道围岩物理力学参数的经验取值如表1所示。

喷射混凝土采用C25混凝土，参数取值如表2所示。

建立数值模型计算时主要考虑该范围内的围岩体，具体为隧道上部覆盖围岩体厚度取3倍四车道跨度，约43m，左右两边岩体厚度取4倍隧道跨度约55m，底部掩体厚度取3倍隧道跨度。按照上述设计尺寸，并在参考地质概况的基础上，添加倾角为45°的岩层节理面，划分网格，按照1：1比例尺寸建立模型。

施加边界条件，限制左右两侧水平方向位移为0，固定底边即水平和竖向位移均为0，在上边界均布施加竖直方向1.0e7N荷载，左右边界施加均布水平荷载1.5e7N，从而模拟地应力。

选定某一级别围岩及对应岩体节理，赋值于数值模型内，再正式开挖并施作支护结构，结合围岩级别的限制条件，在操作过程中需要對岩体参数进行适当调整，比如岩体密度、内摩擦角、粘聚力及弹性模量等，并更换和级别对应的岩体节理参数，包括径向刚度、剪切刚度、粘结强度、抗拉强度、内摩擦角等参数。进行计算结果的全部汇总分析处理，最后给出喷射混凝土衬砌最优厚度。

3 数值结果分析

3.1 开挖未支护

对Ⅴ级围岩进行开挖不支护，得到平衡后的块体单元情况如图1所示。

由图1可以看出，在Ⅴ级围岩条件下，如果隧道开挖后不及时进行有效的初期支护，围岩会出现塌方大变形灾害，大量块体掉落。

由图2可知，隧道几乎全部坍塌，最大Y方向位移达到了6m。

图3为隧道开挖未支护的塑性区，从图中可以看出，隧道开挖上部出现大量的软弱屈服面破坏，并且在拱顶出现拉伸破坏现象，围岩整体稳定性极差。

3.2 锚喷支护+钢筋网+钢架（喷层15cm）