补育隧道开挖与支护工程计算

xx隧道开挖与支护工程计算分析1xx隧道开挖与支护工程1.1工程概况与地质条件xx高速公路第C8合同段xx隧道，是目前国内标准最高的四车道高速公路隧道，隧道横穿xx山体，隧洞断面呈近似椭圆形，隧道轮廓线最大宽度为19.44米，最大净高为9.92米，全长520m，该隧道的最大施工开挖宽度为21.242米，中轴线处开挖高度达15.52米，其开挖面积目前国内单洞隧道之最。xx大跨度隧道以III、IV类围岩为主，进口段洞顶以上均为强风化岩体，碎石状松散结构，中一薄状构造，属于II类围岩属于极不稳定岩体;出口段围岩由强风化灰岩和弱风化灰岩组成，且分布有断层破碎带，洞顶以上均为强风化岩体，为碎右状松散结构，属于II类围岩。1.2加固措施的简化在本次有限元计算中，隧道结构的有限元计算采用隧道与地层共同作用的受力模式，模拟分析各种施工顺序对地层和隧道结构的受力与变形的影响。在现场隧道开挖过程中，为防止开挖引起的洞周岩土体的跨塌，通常根据围岩类别采用锚杆、超前小导管注浆和管棚等支护措施对其进行加固处理，以提高围岩的稳定性。锚杆等加固的有限元模型，目前仍是国内正在研究中的课题。根据文献资料以及以往的工作经验，锚杆的主要作用并非其自身强度对整体结构的贡献。因为在整个系统中，锚杆刚度和周围岩体刚度相比是微不足到的，而锚杆的真正作用在施工过程中起到及时加固，限制塑性区的发展，使岩体能保持较好的连续性和整体性，从而能够很好的起到自承作用。本文采用了“等效材料”方法来模拟经过锚杆加固的岩体。在实际工程中，当锚杆间距比地下建筑物的临界尺寸小得多时，可以把锚杆的作用分布到岩体的一定体积上，从而能用“等效材料”的方法来研究加固围岩的力学动态。所以通常的锚秆模拟计算中采用提高、值的方法。根据大跨隧道设计方案，模拟计算必须考虑锚秆和超前小导管对围岩的加固稳定作用，因此在有限元计算时，依据国内外研究及现场经验所建议将围岩参数中的、值提高20%~30%，本位对上述加固措施采用了将其所处位置围岩参数中的、值提高20%的方法加以模拟。按一般的作法认为喷混凝土是弹性材料。表1.1隧道支护与衬砌设计参数略S0颗S2遣S3握S4诵初期支护誓中空注浆泡锚杆，单妻根府长膛6.0锄m妄，环泪距起1.0震m涌，纵向排朱距蛙1.0m保中空注浆河锚杆，单星根册长漫6.0茫m拍环删距征1.0叉m卖，纵向排允距某1.汽0道m鬼中空注浆链锚杆，单拳根请长置5.5常m夫，环熔距粱1.0馒m田，纵向排绍距域l.0m夜中空注浆蓝锚杆，单耽根烤长识5.0笑m被，环靠距偶1.0写m吩，纵向排闹距灾1.0m堆30c于m甩厚搞2偶5雪号钢纤维蚁喷射混凝迎土桐30c短m赠厚剑2宗5玩号钢纤维洪喷射混凝扬土欢26c愿m辩厚跪2扯5桶号钢纤维剂喷射混凝捕土待22c惑m贫厚键2盖5弯号钢纤喷质射维混凝曾土厉一次衬砌费2锅5延号钢纤维土喷射混凝穿土，容厚盆30cm铸二次衬砌擦3批0萝号模筑防歉水混凝雾土，会厚傍75cm庭3阅0锤号模筑防吹水混凝土脖，比厚勤75cm伶3莫0虾号模筑防催水混凝土顺，绑厚评70cm驴3魔0矿号模筑防毯水混凝土混，粗厚蜓65cm取锚杆的弹性模量，其截面积，，式中为锚杆的环距，为纵向排距，取锚杆中点之间的距离。采用长孔注浆管棚可改良洞周2m左右范围的岩体。小导管注浆有效范围可改良洞周1.5m，超前锚杆有效范围可改良洞周1.0m。对于钢拱架采用等效计算方法，将钢拱架的弹性模量折算给与它相邻的混凝土，具体为折算后混凝土弹模=原弹模+钢拱架面积钢材弹模/截面积。钢筋网在计算中作安全储备考虑，亦可通过提高喷层参数值来近似模拟。图1.1隧道支护示意图1.超前管棚2.中空注浆锚杆3.喷射混凝土4.钢拱架2现场监控量测2.1量测手段和方法在现代隧道建造中，量测已成为隧道建造过程中的一个重要环节。量测的目的包括以下几点:(1)、保证隧道以及隧道邻近的和覆盖表处结构安全;(2)、评价及确定支护结构的结构形式;芦(3渐)时、评价围欣岩、支护堤结构以及流承重结构克的受力性配能集;汗(4焰)咸、与计算献分析结果草相比较，那修正及补歌充计算分亩析中采用换的参数，彼计算模型肯及计算方周法。躁由于观察怨点、观察浆范围、观骡察时间与四频率通常性是与观察朋内容联系库在一起的帝，本工程鸦根据设计颤文件、规傻范、有关枣资料和现娘场具体情妻况，进行炸以下观测研内容以及舒观测方法孤。碌1胁、覆盖表变面位移量徒测心(爪地表下咐沉着)宇覆盖表面主位移侧量善又颗称杨“塘标高水准滔面测堂量录”场，即通过超测量覆盖趁层表面观备察点在开绣挖隧道前脊后标高的缎变化，来齿确定观察岛点产生的滴下沉位移壳。傲2吩、断面相粪对位移量概测胖断面相对壮位移量测抽也称井为唱“凉收敛量陵测台”您，其目的鞋为量测隧式道横断面锅上某测点蝶的标高以夸及某两两愧测点组成替的线段随金着时间的然变化而发斥生相对的砌位移变化轮情况。追2.2x愧x证隧道监测们数据灾本工程隧暑道现场监匠控量测项鹅目表如下土图柏2.职1饰地表下沉下量测测点好布置工表及2.肆1语地表沉降贫量测结果彻测点编号团初测高程翅（注m晋）泡初测日期至本时间段余高程丹（筐m丑）济本时间沉涌降缘（锣m剃m自）戴累计沉降垂（繁m姑m臭）女本时间段客沉降速率劈（择mm/狂d很）限1扫2共3顷4走5原126.剧357拔126.带303鹿123.宵769要132.豆963胞136.咱593环2007深.11.杆1蔬2007彼.11.勿1汤2007违.11.由1撕2007久.11.暮1列2007北.11.辛1色126.伶338什126.酬292算123.肤737敞132.毕94蓝136.鞋576沉19刻11丧32暗23毁17论19首11筹32昨23条17义0.47姜5自0.27裳5厕0.80功0滴0.57慕5级0.42驶5粮注：桩砍号燥K344膊+720伟表链2.饶2嫁地表沉降棋量测结果脚测点编号刻初测高程产（侧m纷）结初测日期们本时间段框高程句（询m季）淋本时间沉昼降仙（安m贩m霉）办累计沉降响（船m迟m林）辅本时间段钉沉降速率足（秤mm/幅d链）融1化2及3妈4咏5厌130.混611木133.衡672星131.伏065舒135.幸247雁137.训09盐2007闯.11.酱24布2007猛.11.烧24荷2007鸭.11.亭24得2007蛇.11.症24捎2007叙.11.袍24网130.栽601谅133.妖664忆131.挖054微135.捎237候137.逐081丑10奶8美11桥10墓9嘴10滚8凭11龟10誓9片0.25倡0阀0.20监0标0.27爹5练0.25挠0酒0.22耕5狭注：桩裤号思K344柿+730告表众2.兵3劲围岩变形布量测结果无桩号拥净空收敛辱（荣m盼m耍）顶拱顶下沉痕（家m肉m王）尤K334膨+704良.7稼K334弱+723停K334己+762覆.7顷K334锄+801案.1橡K334烈+848夜.3姻30.8首398仇44.4森612秩28.4翼41拦34.8毕872虑31.9赛49逐23效23可27蹲26洋25裕3斤隧道开挖胸与支护的盐有限元分抵析召3.低1伯隧道开挖领与支护的赌有限元模弹拟秘空间计算锦需要耗费任巨大的计偏算机资源湿，鉴于目疾前计算机取速度和内社存的限制顿，对隧道认的施工过净程进行了拿简化，忽庭略的一些足相对次要拢的因素，久计算基于蒜以下假匆定沟:吼a料、计算模计型取粘弹他塑性模型晚，考虑围因岩流变效签应，衬砌使采用线弹垮性模型，炼认为衬砌快的受力和坝变形均在渐弹性范围岂内变化，农b湖、岩体的倦变形是各帖向同性碌的菜;浅c尿、岩体初饭始应立场脸不考虑构阶造应力，揪仅考虑其脑自重应确力蛮;咏d慧、锚杆和起钢拱架采抬用等效材锄料，分别左看作对围刮岩和衬砌民的加强，拳具体计算谢见根据前竞面的加固内措施简化川原则。宾模型的单苏元类型：葡围岩采用阳八节点六耐面体实体崭单诚元残C3DS邮R你和六节点究五面体实架体单喷元拆C3D至6于，每个节坏点革含恳1邪、品2厉、血3喝方向三个他自由度，拾初次衬砌召采用薄壳帖单厨元勒4SR披S包，每个结削点喜有病5反个自由度聪，能较好于地模拟围妨岩和衬砌磁地真实情委况。障有限元计雪算域的大哀小确定如疮下趣:勒根据沈大坚高速公路尿隧道的结扁构设计尺幅寸建立三辆维计算模属型，根据阁工程实际组情况若取颜K344暂+70合0智到咬K344赢+86观3米之间，包先括鲁I棉I乌、沃II日I颗、戏Ⅳ贫在内滋的群S烟0骗、底S酬2纽、范S床3聚、爪S喘4畜段开挖、什支护、衬央砌，其诵中鼓K344犯+700傲~K34专4+73绢0鼠为蕉I贺I费类围岩摘、念K344何+730夫~K34疮4+76扯2.配7罢为欧II筹I钻类围岩辨、米K344未+762钱.7~K农344+骨86季3演为隐Ⅳ庸类围岩。扒模型计算远范围水平斤方向取距布离隧道中锁心吵5独倍洞径，锁下边界取猛为洞高偏地怨5胸倍，上边冈界可取隧威道地实际是埋深，须从奥9~75烦m填，纵向方帽向按实际浓工程崇取员163芝m臭，隧道宽家度欧为坡19.4粪4泊m铅，高度厘为汗15.5校2凭m搞。侧压力琴系数窗为杀0.扒3饰。模型的师边界条件引采用施加页约束地方鹿法，在模蚊型的底面屡加固定支沸座约束所瘦有自由度天，在平行韵隧道走向磨地两侧施卷加滑动支慧座，只约拍束赵2打方向上的锋自由度而暮释嘴放责3慎方向上的撤自由度，雁以模拟岩搞体的沉降吵，垂直于杠隧道走向罩的两侧施睬加法1逆方向的约犁束，共划颂分单乱元渗5861鹊0丢个，节青点旗6224浓7浆个。顽1刊、有限元新模型如番图究6-丹3反所示值图矩3.贡1即开挖计算贷模型阀2最、计算参锹数选择见窗下表凶计算参数痕选择见依表盲6-堆5鞭，命6-孝6疯，参6-平7早。垫锚杆直径佩、长度、匙间距与弹州性模量如坛表脂6块－辣7绿所示，算慎出锚固体数弹性模量欧，哀并根据国织内外的经缩验，取锚社固体的内咳摩擦角和脊粘聚力分妙别为愉，呢。叹表挑3.喂1舟围岩参数震围岩类别惭密度缘弹性模栽量书E幸（辱Mp浓a梨）袜泊松比砌内摩擦角嗓内聚节力娘C属（滥Mp唱a孤）司抗拉强度否（超Mp书a鬼）牛抗拉强度糊（充Mp扛a谅）细II目III者IV弊2.67井2.72米2.68尺1200唱0鹊2000皱0般6500才0耍0.31霜0.32豪0.28货36.0首42.5兴46.0练1.32孟2.06印2.44阀31.9嗽4振56.2绩4超103.敲96笨3.39疼5.56介7.66缺表孔3.容2掘混凝土计充算参数房密度突弹性模奔量插E列（艺Mp典a泡）炎泊松比美内摩擦角桌内聚跳力跳C技（仇Mp厦a安）敲抗拉强度贞（痕Mp妨a植）盈抗拉强度勉（蜜Mp宪a惕）绘2.40付2010些0宜0.25蹲1.85衫42逗65.2政9.65姿表其3.度3刷支护参数顾类型比锚杆致敬价（缎m挎m希）更长度殿（棵m擦）稠间距纸（罪m驱）福弹性模量注（霜P枝a萍）滩外径峡壁厚悄纵距傲环距由主爹洞扯初椅期军支武护异中空注浆必锚杆刮S0荡S2喜S3冶S4缺25传25遮25早25雀5乒5因5谦5劲6饿6胸5.5旷5.0难0.4悄0.5谋0.75练1.0桃0.8急0.8掠1.0踢1.0精导草洞明初坊期播支吵护掌砂浆锚杆点S0景S2气S3滴22限3.5宣3.5哨3.0史0.8亦1.0文1.5佛0.8观0.8液1.0板主筛洞胞超革前嚷支潜护写大管棚浊S0骄S2桑S3造S4策108趋摇6遗50伍垄5崇22阳22荣18罗5继5凶5含0.4梢0.4欢0.4睁0.4龙小导管逝超前锚杆欣局部挽超前锚杆铁不论国内忌还是国外昼，尽管大蒙跨度扁平午隧道的开迅挖方法多晃种多样，典但是基本陵上是经过批适当的地是层预加固帖处理后采休用双侧壁灶导洞法、逮单侧壁导类洞法亦、跌C小D帖或辨CR祖D百工法、台搏阶法或其墙中要的组合〕夸。骄根据国内返外大跨度才隧道的施任工经验、田大跨度隧夜道开挖后乓应力分布凤情况分析易以及沈大悠高速公路绸隧道结构跌特点，适吴合本工程损特点的开征挖方式主蜻要有双侧嫁壁导洞法版、单侧壁冶导洞法。梯3很、开挖步炕骤孤:副(l)S漂0道、际S欠2届、寨S磁3燕段开挖、谦支护、衬运砌工序流死程图怠1椅）左导洞袄开乘挖壤:呈根据实际托情况可以鼻细分为上熊下台阶来法畜;钢2鹅）左导洞娱支拔护续:汁锚喷支护能、拱架支含撑窑;予导洞内侧促按导洞支恶护参数进著行针;挖导洞外侧糟按主洞初敲期支护参招数进哗行瘦;邀3添）右导洞切开让挖躺:帅根据实际订情况可以快细分为上衔下台阶但法好;僻4麻）右导洞朝支惹护贱:余锚喷支护断、拱架支扯撑槽:橡导洞内侧弊按导洞支顿护参数进约行诸;深导洞外侧息按主洞初被期支护参汽数进德行金;朽5嫌）拱部超颠前支弦护近;社6察）左导洞队顶部开器挖斗;爱7字）左导洞轮顶部初期役支仿护择;纽8需）右导洞痒顶部开瞒挖奉;药9胁）右导洞辟顶部初期卷支千护抬;1仓0元）左中顶六部开司挖歌;1誓1铃）左中顶残部初期支芒护双;1瓜2副）左中顶抛部竖向钢抗支斗撑冤;1或3勤）右中顶拥部开恩挖洗;1铜4喜）右中顶难部初期支惹护纤;1路5糟）右中顶轿部竖向钢日支日撑度;1篇6将）核心土份下边挖旅;1享7贱）仰拱初怨期支飘护蛙;1跨8冬）二次衬糟砌。摄左导洞开杂挖叙左导洞内邪侧、外侧耍支刚护们阁气冻智舅点飞右导洞开凳挖鹅右导洞内放侧、外侧恒支梦护直我护织拳抹飘秘拱部超前荣支护盟左导洞顶恋部开涌挖拉溪躲赛跌当剖左导洞顶带部初期支婆护悦右导洞顶命部开确挖笋确虹失娃僻搜右导洞顶郊部初期支胞护炮左中顶部蠢开钟挖馒拘牺虑鞋扬死左中顶部芳初期支护挡右中顶部拔开踏挖朴唉吹养肾趟锣右中顶部速初期支护中核心土下列挖造图以3.贿2葱开挖过程宋模拟示意草图蔑(2)S壁4甘段开挖、嘱支护、衬寻砌工序图例1猎）左导洞脖开幅挖吨:崭根据实际花情况可以旷细分为上斤下台阶换法并;请2诊）左导洞睁支狭护湖:借锚喷支护辞、拱架支嚷撑挠;欲导洞内侧宵按导洞支过护参数进凉行旅;灵导洞外侧妄按主洞初厉期支护参写数进龄行旬:戒3妥）拱部左舟侧开爱挖计;秘4臭）拱部左怕侧支尾护纷:略锚喷支护菌、拱架支牙撑满;疮5起）拱部右铺侧开跪挖督;第6尊）拱部右妨侧支保护仙:三锚喷支护棕、拱架支刺撑孟;宽7丸）下台阶恒开霉挖庸;钱8田）下台阶闯右侧支碗护勉:胀锚喷支护常、拱架支茅撑犁;阿9演）二次衬筝砌宴;私左导洞开照挖免躬赔琴强悟犯劳左导洞支蝇护雹拱部左侧蜡开袄挖棒万烂际输懒巨拱部左侧溪支护育拱部右侧蔽开窜挖文省强蒸就桌扎拱部右侧唉支护娱下台阶开箩挖硬木申野甘揪劫滤坛喉下台阶右没侧支护遇图符3.沿3畅开挖过程你模拟示意亡图般4方计算结果革与量测结关果的比较撕分析铲本计算内杨容包括不阿同的围岩炒特性、不悔同开挖方产案下的围兽岩皇(卖顶拱、内日空收均敛网)蝴的最大位粱移，以及刃地面沉降允和围岩塑右性区等。谣4.遍1割位移书表钩4.党1筛围岩变形嗽量测结果犯与计算结傲果比较表拐桩号嫩净空收敛托（倡m漏m纵）伶拱顶下沉贞（雕m块m嫁）姐K334吉+704缠.7悔K334由+723舞K334秃+762脸.7功K334事+801征.1悟K334采+848惜.3趁实测值谋30.8连398皂44.4暑612踪28.4切41即34.8缴872扁31.9完49痛计算值寻34声50坝31腾35钢33抢实测值纹23闪23喜27稳26富25秤计算值客25赞24焦30烛35收32校表情4.愧2坝地表沉降潮量测结果斤与计算结析果比较表络桩帐号午具测箱点盈堂编号驾K344朱+720讯K344梨+730阿实测值锹计算值艇实测值死计算值津1道2洗3比4唱5骨19填11缎32玻23序17催17窗8放28尘19呜15沟10走8鸡11惑10低9牛8壁6龟9材8雹7夹从表可以器看出，结智算结果与违量测结果钳相近。从奇表可以看村出，地表绞最大沉降治值大于计万算值，而票顶拱下沉电的量测值肠小于计算负值，这是株因为拱顶窑下沉有一锁部分在量貌测之前已梁经发生，后量测过程寇中捕捉