大偏压连拱隧道洞口段设计

[12-11 17:01:08]   来源:http://www.tmgc8.com  工程设计   阅读:3209


 

5 龙峰溪隧道进口计算断面图

 

4.3.1  计算范围及有限元网格

计算选取范围,上边界按横断面取地表自由面,左右边界距离大于单洞开挖宽度的3倍,下边界至开挖洞底的距离大于3倍的洞高。

 单元划分遵循以下原则:⑴单元边界划分在材料分界面及开挖分界线上;⑵单元划分采用内密外疏划分;⑶一个单元内边长不能过于悬殊;⑷单元节点要布置在荷载及锚杆的端点。网格划分如图6所示,实施施工步骤后的网格如图7所示。


图6 初始二维有限元网格图

 


图7 最终二维有限元网格图

 

4.3.2  隧道围岩及支护材料参数

根据地质资料揭露,隧道进口段地层自地表向下划分为坡积亚粘土、强风化花岗岩、弱风化花岗岩。各围岩材料的主要参数见表2


 

2 围岩物理力学参数表

 

计算上根据等效刚度截面换算原则将截面换算为单一材料截面进行数字模拟分析。换算后各材料截面的主要参数见表3


表3支护主要参数表

 

4.3.3 计算分析

经过计算分析,隧道洞周围岩屈服接近度如图8所示,围岩屈服接近度大于1的单元仅出现在左洞拱顶右侧,即右明洞的临时开挖边坡内侧,共9个单元,最大屈服接近度为3.59。一般认为,围岩屈服接近度大于1,则围岩单元屈服,由于仅右明洞临时开挖边坡的部分单元出现屈服接近度大于1的情况,因此,对明洞临时边坡采用预应力锚索(十字面板)加固后,可判定隧道洞周围岩基本稳定。


 

 

为了进一步判断围岩的稳定性,对洞周围岩的应力状态进行分析,计算表明在弱风化、强风化围岩中其最小主拉应力均小于容许的岩体容许拉应力,仅在土层中4个围岩单元,即在左洞中墙上部的少数单元出现最大为www.tmgc8.com0.6kPa拉应力,因此只要初期支护强度能够满足要求,就能确保隧道围岩的稳定。

隧道洞身初支强度能否满足要求,对洞身的稳定起着决定性的作用,因此有必要对左暗洞初支进行内力分析,根据对左暗洞初期支护轴力(8)和弯矩(图9)的分析结果表明,左洞初支的最大压应力均小于砼的容许压应力,而最大拉应力仅出现在拱顶右侧处,其值为532.06kPa;而C20湿喷钢纤维砼的容许拉应力为1.0MPa,故可判定左暗洞初支强度满足要求。


图8 轴力图(KN)

 


图9 弯距图(KN•M)

根据以上的理论分析,并结合工程类比,设计采用的支护结构是安全的,施工方法也是可行的。在确认左暗洞围岩稳定及支护结构满足要求的基础上,对右明洞结构采用荷载结构法进行验算。

明洞验算根据平面弹性有限元原理,把明洞结构离散为由梁单元组成的平面杆系,回填土对结构的作用通过只受压不受拉的法向杆单元来模拟。计算取明洞衬砌厚度65cm,洞顶回填土平均厚度为3.5m。荷载根据现行《公路隧道设计规范》(JTGD704-2004)确定,并考虑混凝土的收缩徐变,计算得出各单元的内力,再用各单元内力组合进行衬砌配筋计算。经过计算分析,配筋控制断面为拱顶左侧,该断面所需配筋量为15.1cm2。故明洞衬砌上下缘只要配置大于15.1 cm2的二级钢筋,就能满足受力要求

1.         设计体会

龙峰溪隧道于2003年底开工,并于2005年初顺利贯通,当年年底正式通车,通过对该隧道的设计分析及施工过程的追踪观察,总结以下几点结论:

1)围岩大部分屈服区在明洞临时边坡开挖就已形成,后续左暗洞开挖施工将引起左拱腰及地表屈服区的进一步扩展,但范围相对较小。因此,明洞临时边坡的稳定是隧道能否顺利进洞的关键所在。

2)正确合理的开挖支护顺序是隧道顺利进洞及贯通的有力保证,设计和施工都应紧紧围绕着减少对围岩的扰动、保护围岩自承能力这个主体进行。

3)隧道洞口设计提倡 “早进洞,晚出洞” 原则,尽可能与洞口地形协调,保护自然环境。对于大偏压连拱隧道进洞方式的处理上,本设计采用“一明一暗”进洞,不失为一种有益的尝试,为以后的大偏压连拱隧道选择进洞方案提供了一种新方法。

 

 

 

图8 围岩屈服接近度云图

 

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