浅埋砂体隧道的开挖与支护

1、浅埋砂休隧道的开挖与支护设汁书浅埋砂体隧道的开挖与支护设计书代表队隧道工程组队员 专业 土 木工程指导老师浅埋砂休隧道的开挖与支护设汁书一.总体设计思路 TOC o 1-5 h z 1.1技术要求1-111沉降量最小11.1.2承载力最大1113经济合理11.2设计思路-2-二、技术指标设计2-2.1沉降量设计-2-22承载力设计三.支护参数设计31基于管棚支护机理的设计-5-311管棚支护机理-5- TOC o 1-5 h z 312管棚参数的确定-5 - HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 3.2基于围岩压力的支护设计-7 - HYPERLI

2、NK l bookmark28 o Current Document 3.3基于散粒体理论的支护设计7 - HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 3.4参数的确定-8-四.主要结论及不足-9-注埋砂体隧道的开挖与支护设计书一、总体设计思路1.1技术要求针对浅埋砂体隧道的开挖与支护，主要从开挖后隧道沉降量最小、承载力最 大、经济合理这三个方面考虑。1.1.1沉降量最小因砂体不稳定，在开挖后可能因扰动砂体而使圉岩应力重分布，浅埋情况下, 最直观的表现就是地表沉降。对于砂体隧道，围岩较为破碎，开挖方法或者支护 手段不当易使得沉降量增加。根据Peck公式，

3、地层损失的量就是沉降槽的量， 为了有效减小地层损失，同时有效增强支护能力，就需要保证有一定的超前支护, 采用管棚法是不错的选择，通过插入竹签支撑围岩，开挖过程中就会山竹签支撑 地层土体，减小了地层损失，沉降量就会减小，因此从这个角度上来讲，竹签插 入的越多，沉降量应该是越小的。112承载力最大试验箱体整体的承载能力是山箱体+砂体+支护构件共同承担的，开挖土体 之后，在上部荷载的作用下，支护结构部位是最为薄弱的环节，因此决定承载力 的关键是支护构件的设置。砂体和支护构件组成的整体共同承担上部的荷载，单纯从承载能力上讲，并 非竹签插入越多承载力也就越大，究其原因，分析如下：隧道开挖后，隧道两侧的砂

4、体将承担主要的竖向荷载，如果竹签插入的 量太大，那么竹签插入部位的整体刚度就较大，则竹签部位将承受较大的荷载， 荷载的增加可能会增加支护构件破坏的风险，因此竹签并非越多越好；插入的竹签太少，支护构件拱部的土体可能由于支护不足而造成失稳， 因此在承载力上要求竹签的数量不宜太少。1.1.3经济合理隧道的修建还要考虑到成本的问题，在保证技术要求的情况下，成本最低是注埋砂体隧道的开挖与支护设计书较为理想的方案，因此，从这个角度上将，要尽量的减少竹签的数量。1.2设计思路根据以上的分析可知，在沉降量指标上，要求竹签够多，在经济性指标上， 要求竹签尽量少，而承载力指标上则要求竹签不宜太多也不宜太少。因此，

5、总的设计思路上来讲，就要在满足沉降量指标和承载力指标的情况下, 竹签足够少。1 沉降量指标根据Peck公式的相关内容，同时结合砂体的情况，通过PFC软件进行讣算 砂体不漏的最大间距，以确定最小的竹签量；承载力指标采用弹簧模拟，定性说明支护刚度对承载力的影响关系，确定竹签量。二、技术指标设计2.1沉降量设计细沙山于具有结构松散，粘聚力低或无粘聚力、抗剪强度低等特点，在细沙 中建造隧道时，增强圉岩自承能力以及施工当中防沙漏现象是设讣、施工时的关 键。本隧道细沙地层釆用竖直钻孔插入竹签对隧道周圉岩进行加固，加固后施工 当中基本没有出现漏砂现象，初期支护沉降得到较好的控制，开挖安全性得到了 保证，开挖

6、进度也大大提高。在此采用Peck经验公式进行计算：横向地表沉降曲线与peck公式或一系列修正的peck公式所给出的地表沉降 曲线吻合较好，沉降曲线可近似为正态分布曲线。浅埋砂休隧道的开挖与支护设汁书图1-1地表横向沉降槽预测示意图H + R(2-1)(2-2)S(max) =/2tan45* -yS(max) =(2-3)冰丝 tan(45#)(2-4)式中：H为覆土厚度;R为计算半径。地表沉降曲线的反弯点i位于距中线（0.81.6） D （D为开挖跨度）处，随 着所处围岩类别的提高而向中线靠拢，影响范圉随之减少；横向影响范围约为 5i,则H=0.12m； R=0.055mo经过计算，地层沉降

7、量与地层损失量的关系见表1所示。表1地层沉降量与地层损失量的关系表地层沉降量Smax地层损失量VI1.000.0800635722.000.1601271443.000.2401907154.000.3202542874浅埋砂休隧道的开挖与支护设汁书5.000.4003178596.000.4803814317.000.5604450038.000.6405085749.000.72057214610.000.80063571811.000.8806992912.000.9607628622-2承载力设计如图1所示对装满沙子的箱子进行加载，其上部加载荷载按45。向下进行扩 散，对其进行受力分析

8、可以得出结论，要使其承载力越大，其承载力应山隧道两 侧沙子分担大部分荷载，即隧道两侧沙子的承载力大。可以取a-a截面进行分析（a-a截面为隧道顶面的横截面），建立弹簧模型, 如图2所示。注埋砂体隧道的开挖与支护设计书illr A/bf2flf2图2 aa截面弹簧模型图根据对上述两个模型的分析，可以得到如下结论：因为（压缩沉降量）一定，可由公式2f/k推出Gfl/kXfZS;乂因为要使其承载力大，所以两侧的沙子支撑力f2要大；又因为f2fl,所以k2kl ；山此可以得出结论，要使其承载力越大，则隧道顶点的刚度要小，即超询支 护要少（管棚少）。支护参【设计3.1基于管棚支护机理的设计管棚超前支护法

9、就是在隧道开挖之前，沿着隧洞开挖断面外轮廓，以一定间 隔与隧洞轴线平行钻孔、插入竹签，以加强竹签周边圉岩的自稳能力，并使竹签 与圉岩形成一体，由管棚和围岩构成棚架体系，形成梁式结构共同受力，以防止 围岩的松弛和崩塌。3.1.1管棚支护机理梁拱效应管棚因前后两端嵌入隔砂纸板中行成纵向支撑梁；可以有效抑制砂子的泄 漏。环向通过隧道自成拱达到对上端砂压力及外界作用力分散形成应力流。二者 构成环绕隊洞轮廊的厚筒状结构，可有效抑制围岩松动和跨塌。强化岩体效应注埋砂体隧道的开挖与支护设计书通过插入竹签对细砂的挤压可以对细砂有压实作用，减小砂间孔隙度，从而 提高岩体弹性模量和强度。管棚作超前支护，其后紧跟永

10、久支护，施工人员作业场所较安全。3.1.2管棚参数的确定竹签间距的影响因素较多，主要取决于：地质条件（包括围岩松散情况、粒径、密度等）；管棚长度；管棚布置位置及形式；钻孔精度及钻孔的弯曲程度。隧道围岩为V级，一般情况下，竹签的最小净间距xl为xl二KL,式中K为 钻孔施工精度，通常在钻孔施工长度的1/600-1/250范围内，L为管棚长度0.12m。 竹签的最小中心间距x2为x2=xl+D,式中D为竹签直径0.15mm。一般情况下, 竹签的布置间距应该大于x2,并且为竹签直径的2.03.5倍。根据地形地质以及 荷载情况管棚采用圆形布置，如图3所示。浅埋砂休隧道的开挖与支护设汁书32基于围岩压力

11、的支护设计浅埋悄况下，围岩圧力可根据泰沙基公式确定，当埋深较小时泰沙基公式可简化为& _ 7 + % tan(45。_ 2)_ c2 tan (p(3-1)式中：a隧道开挖宽度的1/2；/圉岩重度；(P内摩擦角;c粘聚力；右一一洞室开挖高度；A侧压力系数。1.荷载的确定已知 / = 17.2kN/m c=0, (p = 32 , hx =1 lcm a=5.5cm 2=0.82,分别代入式(31),计算得： TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark22 o Current Document p = 2.7x10 心 MPa(3-2)根据工程实际计算竹签最不利受力段的

12、长度值为0.12m。单位宽度内的荷载 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 0 = p = 2.7 x 103 MPa in(3-3)最大弯矩 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document Afmax = o)/2/8 = 2.7x 103 pa mx0.122/?r +8 = 486Nm(3-4)根据筷子的强度计算，可以得到筷子的最小间距为2mmo3.3基于散粒体理论的支护设计根据相关散粒体对锚杆间距的研究结论：采用细观数值模拟方法研究散粒 体的锚固效应，基于随机模拟技术生成三维多面体颗粒及其在空间中的分布，

13、在 随机散粒体不连续变形模型的基础上将砾石锚固试验进行数值实现，分析加锚散注埋砂体隧道的开挖与支护设计书粒体材料的宏观与细观力学性能，研究加锚密度及其与颗粒粒径的关系对散粒体 力学性质的影响，并探讨锚杆在散粒体材料中的作用机制。分别建立不同锚杆间 距和不同颗粒粒径的数值试样，数值模拟结果表明：散粒体锚固数值试验能够较 好地反映不同加锚散粒体结构的变形规律与锚固效应：散粒体材料的宏观特性与 其细观组构的演化密切相关；锚杆加固散粒体的作用机制为加锚散粒体内形成丿k 缩区，挤压加固作用提高了散粒体间的接触作用力，散粒体结构的整体性得到加 强并能承受一定荷载；不考虑锚杆长度的情况下，当锚杆间距小于3倍

14、的散粒体 平均粒径时，锚杆能够有效地加固散粒体形成稳定结构。经过PFC软件的讣算, 也验证了以上的结论，如图4所示。图4PFC模型图3.4参数的确定根据上面的讣算及分析，综合各种因素，可以得出两个竹签间的最大的距离Smax=2mm。注埋砂体隧道的开挖与支护设计书四、主要结论及不足根据隧道结构的特点，提出了以沉降量和承载力指标作为主要控制指标, 辅以经济性指标的设讣思路：通过对技术指标的设计，提出了确定支护参数的方法；结合管棚支护机理、围岩压力和散体理论，确定了竹签的最大间距。主要不足就在于对相关学科的认识还有些不足，软件操作能力有限，设 计仍然有很大的提高空间。参考文献1 TB 10003-2005铁路隧道设计规范S2 TB 10204-20