基于工程类比法的隧道二次衬砌结构优化设计

基于工程类比法的隧道二次衬砌结构优化设计

0对二次衬砌厚度取值jtj026-90对高速公路隧道的设计规范只有一个具体值，而对二次衬砌的厚度没有具体数据，这意味着目前以工程类比为主要设计方法的隧道设计没有价值参考。因此，设计师通常在二次衬砌厚度上值很大，这违反了新奥法设计施工的基本原则。以京秦高速公路青龙连接线逃军山至冷口段4座隧道为例,原招标文件中的衬砌设计参数为:隧道衬砌采用复合衬砌形式,初期支护在Ⅱ、Ⅲ类围岩中为锚杆、挂网,喷锚混凝土厚为20cm,锚杆锚固长度不小于2.35m,梅花型布设,挂网为Φ12钢筋网,网格间距为20cm×20cm,在Ⅳ类围岩地段不设锚杆和挂网,直接喷射混凝土,而其模筑混凝土衬砌厚为70cm。显而易见,二次衬砌厚度如此之大,违背了“岩承理论”的基本原理。1合理厚度的选择本文经采用工程类比法对初步设计优化后,选用的隧道支护衬砌设计参数见表1。2计算和分析结构值2.1围岩开挖、衬砌及加固圈模拟针对榆树沟隧道的工况,选取了Ⅱ类围岩浅埋、Ⅲ类围岩及Ⅳ类围岩3种不同的复合式衬砌结构类型进行数值计算。其中Ⅱ类与Ⅲ类围岩共有5个施工步,分为上台阶开挖(工序1)、下台阶中央区开挖(工序2)、下台阶左区开挖(工序3)、下台阶右区开挖(工序4)及二次衬砌封闭(工序5)。Ⅳ类围岩共有3个施工步,分为上台阶开挖(工序1)、下台阶开挖(工序4)及二次衬砌封闭(工序5)。各衬砌结构类型的围岩参数及混凝土参数,依照《公路隧道设计规范》(JTJ026-90)取低值;对于锚杆注浆区,按注浆范围适当提高加固圈参数;围岩和加固圈采用弹塑性体模拟;初期支护和二次衬砌按素混凝土,采用理想弹性体模拟。2.2次衬砌c、b软件的模拟计算及分析对隧道开挖和初期支护,采用适合于岩土工程的FLAC软件进行模拟计算;对二次衬砌采用ANSYS软件进行了分析计算。计算分3种衬砌结构类型,以不同的衬砌结构类型,建立不同的计算模型,其网格剖分见图1。2.3结构内力n为了便于分析,用So表示结构外侧正应力/MPa,Si表示结构内侧正应力/MPa,两者均以受压为正;N表示结构轴力/kN;M表示结构弯矩/(kN·m);A为结构的安全系数。二次衬砌的内力与安全系数计算结果见图2。由图2可以看出,3种衬砌结构类型的二次衬砌内力都较小,最大轴力为165kN,最大弯矩为-15.97kN·m,且都发生在Ⅱ类浅埋断面,二次衬砌的安全系数较大,可见二次衬砌是安全的。2.4拱脚处表面位移3.二次衬砌封闭后不同衬砌结构类型的洞周位移计算结果见图3(单位:mm)。(1)Ⅱ类围岩浅埋衬砌周边的最大位移(18mm)发生在拱脚处,边墙收敛较小(12mm)。(2)Ⅲ类围岩衬砌周边的最大位移(12mm)发生在拱顶和仰拱处,边墙收敛较小(4mm)。(3)Ⅳ类围岩衬砌周边的最大位移(6mm)发生在拱顶处,边墙收敛较小(1mm)。比较表明,衬砌周边位移最大的是Ⅱ类围岩浅埋,其洞周位移最大值(18mm)发生在拱脚处,边墙围岩收敛较小;围岩越好,周边位移越小。3衬砌之间的压力、混凝土应力和收敛二次衬砌阶段共布置了4个测试段,其内容包括二次衬砌接触压力(即初期支护与二次衬砌之间的压力)、混凝土应力和净空收敛。第1测试段K2+748断面和第3测试段K3+413断面为Ⅲ类围岩深埋支护衬砌,第2测试段K3+248断面为Ⅳ类围岩支护衬砌,第4测试段K3+450断面属Ⅲ类围岩浅埋段,按Ⅱ类围岩支护衬砌。3.1收敛位移速率各测试段净空收敛的量测结果见表2,从中可以看出,各测试段净空收敛数值均远小于允许收敛值;从收敛位移速率来看,均达到围岩基本稳定的标准,表明围岩是稳定的,初期支护是可靠的。二次衬砌阶段4个测试段的净空收敛位移均小于1mm,且位移速率小于0.01mm·d-1,表明二次衬砌也是可靠的。3.2次衬砌接触压力各测试段二次衬砌阶段接触压力的量测结果见表3,用实测围岩压力值推求的侧压力系数见表4。从表中所列数据来看,二次衬砌接触压力特点如下。(1)二次衬砌接触压力的量测值均远小于规范计算值,表明二次衬砌强度有较大的安全储备。(2)二次衬砌的接触压力与围岩类别有直接关系,如Ⅳ类围岩的第2测试段的接触压力明显小于其他3个测试段的压力。(3)在二次衬砌的实测接触压力中,水平压力均大于拱顶垂直压力,这一点与现行公路隧道设计规范关于垂直压力与水平压力的计算有较大的出入。(4)用实测围岩压力值推得的Ⅱ、Ⅲ类围岩侧压力系数,与现行公路隧道设计规范基本一致,但Ⅳ类围岩的结果与规范差别较大。3.3次衬砌混凝土应力的测试各测试段二次衬砌混凝土应力的量测结果见表5(单位:MPa),从中可以看出,二次衬砌混凝土的应力有以下特点。(1)从二次衬砌混凝土的4个测试断面上量测到的应力都比较小,出现在第2测试断面拱顶的最大压应力值仅1.56MPa(为设计强度的12%)。(2)从二次衬砌混凝土的4个测试断面上量测到的应力均为压应力,这一点与理论分析结果是一致的。(3)二次衬砌混凝土应力的量测数据表明,二次衬砌工作状态良好,安全储备较大,最大应力部位的安全系数为8.7。4收敛位移对比(1)二次衬砌的内力及安全系数计算结果表明:三种衬砌结构类型的二次衬砌内力都较小,最大轴力为165kN,最大弯矩为-15.97kN·m,且都发生在Ⅱ类浅埋断面;二次衬砌的安全系数较大,可见二次衬砌是安全的。(2)洞周位移计算结果表明:Ⅱ类围岩浅埋衬砌周边的最大位移(18mm)发生在拱脚处,小于规范允许值(24mm),边墙位移收敛较小(12mm);Ⅲ类围岩衬砌周边的最大位移(12mm)发生在拱顶和仰拱处,小于规范允许值(18mm),边墙收敛较小(4mm);Ⅳ类围岩衬砌周边的最大位移(6mm)发生在拱顶处,小于规范允许值(12mm),边墙收敛较小(1mm)。这说明3种衬砌结构类型的洞周位移均小于规范允许值,隧道结构是安全的。(3)净空收敛量测结果表明:各测试段净空收敛数值均远小于允许收敛值;从收敛位移速率来看,均达到了围岩基本稳定标准,表明围岩是稳定的,初期支护是可靠的;二次衬砌阶段4个测试段的净空收敛位移均小于1mm,位移速率小于0.01mm·d-1,表明二次衬砌也是可靠的。(4)二次衬砌接触压力的量测值均远小于规范计算值,表明二次衬砌强度有较大的安全储备。(5)从二次衬砌混凝土的4个测试断面上量测到的应力均为压应