维普资讯 http://www.cqvip.com 广东建材２００７年第１１期 研究与探讨 侧压力系数与地应力水平 对软弱围岩隧道衬砌的力学行为分析 林永贵 （广州市市政工程设计研究院） 王恩莹 （北京市道路工路工程质量监督站） 摘 要：为了解初始地应力对软弱围岩隧道的衬砌力学行为，利用大型商业有限元程序，通过不用 的侧压力系数和初始地应力水平，分析了各种工矿下衬砌的力学行为。分析表明：初始应力水平对软 弱围岩衬砌力学性状的影响强烈，相对来说，围岩应力水平对衬砌受力的影响比侧压力系数敏感。而 在竖向应力水平一定时，围岩侧压力系数为０．４～１．０区间对衬砌受力较为有利，此时衬砌受力较均 匀。 关键词：初始地应力；软弱围岩；隧道衬砌；力学行为 １引言 ２．１应力释放 围岩初始应力状态对岩土工程的影响是显著的，尤 应力释放是隧道开挖数值模拟计算的关键。用有限 其是对高地应力软弱围岩区的地下工程。随着我国交通 元方法进行隧道开挖时，通常采用支撑荷载法或者刚度 建设的不断发展，隧道工程已经向长大、深埋方向发展。 折减法。本文采用加支撑荷载的方法模拟应力释放，如 近几年来，穿越高地应力区且地质环境恶劣的软弱围岩 图１所示。 长大隧道工程不断涌现。由于对高地应力区软弱地质环 境缺少足够的认识，在隧道施工过程中频频出现塌方和 衬砌变形过大等事故，给隧道建设造成巨大的损失。例 如南昆线４．９９ｋｍ长的家竹箐隧道，其侧压力系数为 图１隧道开挖应力释放 １．８８，当隧道进入埋深４０４ｍ煤系地层后。由于煤层强度 较低且煤层之问存在有节理发育的泥质胶结砂岩和泥 ２．２材料力学参数 岩，整体性差，在高地应力作用下，喷锚支护相继发生了 有限元数值分析中，隧道围岩材料特性按均质弹塑 严重变形，拱顶下沉变形达８０～ｌＯＯｃｍ，底板上鼓变形 性体考虑，材料力学特性假定遵循Ｄｒｕｃｋ—Ｐｒａｇｅｒ屈服 ５０￣８０ｃｍ，两侧边墙向内移５０￣６０ｃｍ，钢架因围岩变形 准则，当材料进入塑性状态后，其应力应变关系由塑性 产生翘曲，喷层开裂并与钢架脱离［３３。长２０．０５ｋｍ号称 理论中的增量法求解。围岩物理力学参数按公路隧道设 亚洲第一长隧的乌鞘岭隧道乌鞘岭隧道在穿越深埋 计规范 １ Ⅵ级围岩的参数选取。衬砌材料因其力学特性 ４５０～在１ｌＯＯｍ的武威端千枚岩夹板岩等软岩地段， 远较Ｖ级围岩好，计算中视为弹性体。两种材料的基本 １５￣３３ＭＰａ高地应力的作用下大变形，最大变形量近 物理参数见表１。 ｌＯ００ｍｍ，平均变形量在４００￣６００ｍｍ，致使强大的初期支 表１围岩与支护结构的物理力学参数 护大变形而遭破坏，并严重侵入隧道衬砌净空，不得不 介质类型 密度 变形模量 泊松比 内摩擦角 粘聚力 将初期支护全部或部分拆除重做，严重影响施工安全和 （ｋＮ／ｍ。） Ｅ（ＧＰａ） Ｕ （。） Ｃ（ＭＰａ） 围岩 １．８ １．５ ０．４ ２４ ０．１ 施工进度 ］。 衬砌 ２．４ ２３ ０．２ 本文通过有通用有限元软件ＡＮＳＹＳ对软弱围岩区 隧道进行非线性有限元分析，根据不同的竖向地应力水 ２．３有限元模型 平和侧压力系数，重点研究初始地应力对软弱围岩隧道 为了研究不同初始应力场对隧道衬砌力学行为的 衬砌力学行为的影响。 影响，本文采用不同的地应力水平（用竖向应力ｏ 控 ２计算模型 制）和不同的压力系数入进行组合，分ｌ４个工况模拟 一１１７— 维普资讯 http://www.cqvip.com 研究与探讨 广东建材２００７年第１１期 表２计算工况设计 ５ ６ ７ ８ ９ Ｉ ５ Ｉ １０ ｌ ｌ１ Ｉ １２ Ｊ １３ Ｉ １４ １ １．５ ２ ０．７ 工况 侧压力系数入 研究目的 １ ０．１５ ２ ２ ３ ４ ２ ０．３ ０．４ ０．７ 竖线应力。ｙ／ＭＰａ １ Ｉ ２ Ｉ ４ ｌ ６ Ｉ ８ Ｊ ９ Ｉ １０ 分析不同压力水平对衬砌的力学行为 分析不同侧压力系数对衬砌的力学行为 隧道在不同初始应力场的开挖和支护过程，具体工况如 在衬砌拱顶。从图３可见，在侧压力系数入小于０．３区 表２所示。围岩和初期支护结构分别采用平面单元和梁 间，拱脚弯距随着入增大而显著减小，入在０．３～２．０ 单元建模，隧道截面采用公路隧道设计规范［Ｊ 设计速度 区间，随着入的增大，拱脚弯距略有增大。由图４可见， Ｖ＝ｌＯＯｋｍ／ｈ情况的标准双车道断面。喷射混凝土衬砌 衬砌最大轴力随着入增加而增大，在入小于１．０区 厚度２５ｃｍ，混凝土标号Ｃ２５，视锚杆对围岩的加固作用 间，轴力涨幅较缓，在入大于１．０区间，轴力增长较为 与施工扰动对围岩的破坏相抵，开挖计算应力释放系数 剧烈。由图５为衬砌最大水平位移随侧压力系数变化曲 为０．４。计算中只考虑初期支护，不考虑二次模筑衬砌， 线，入在０．１５～０．４区间，衬砌水平位移随入增大而 具体有限元模型见图２。 减少，入在０．４～２．０区间，衬砌水平位移随入增大而 增加。图６显示衬砌拱顶位移随入增大而均匀地减小。 ３．２应力水平影响分析 为了分析围岩的应力水平对初期衬砌的力学行为 的影响，针对软弱围岩情况，在侧压力系数一定 （入＝０．７），分别取应力水平ｏ 为１ＭＰａ、２ＭＰａ、４ＭＰａ、 ６ＭＰａ、８ＭＰａ、９ＭＰａ、ＩＯＭＰａ，进行了计算分析，计算结果见 图７～图１０。 图２有限元模型 从工况５，工况９～工况１４的计算结果可知，当侧 压力系数一定（入＝０．７）时，衬砌弯距最大值出现在拱 脚；衬砌最大轴力出现在衬砌起拱线附近；水平位移的 最大值发生在衬砌起拱线至拱肩之间的部位；最大竖向 位移发生在衬砌拱顶处。图７显示了衬砌拱脚弯距随着 围岩应力水平ｏ 的增加而增大；图８显示了衬砌最大 轴力随着ｏ 的增加而增大；图９显示了衬砌水平围岩 随ｏ 增加而增大：图１０则显示了衬砌拱顶竖向位移 随ｏ 增大而增加。 ３结果分析 ３．１侧压力系数影响分析 为了分析不同侧压力系数对初期衬砌的力学行为 的影响，针对软弱围岩情况，在应力水平一定 （ｏ ｙ＝２ＭＰａ），分别取侧压力系数为０．１５、２、０．３、０．４、 ０．７、１、１．５、２进行了计算分析，计算结果见图３～图６。 从工况１～工况８的计算结果可知，衬砌最大弯距 出现在衬砌拱脚处；衬砌的轴力最大值出现在起拱线与 ４结论 拱顶之间，随着侧压力系数从０．１５至２变化，轴力最大 本文通过对不同的侧压力系数和应力水平组合了 值出现的位置也从起拱线过渡到拱顶附近；水平位移的 １４个工况，对软弱围岩隧道进行施工模拟，分析了侧压 最大值发生在起拱线至拱肩之间；竖向位移最大值发生 １１ｏ １２ｏ ｊ １ｏ０ ∞ ＊ ２ 簟６０ 蠹ｔ０ 霎２０ ０ ０ ０．１５ ０．２ ０ ３ ０．４乱７ １ １．５ ２ ３ ｎｔ ｏ．７ １ １．５ ２ ｏ．１５ ｏ．２ 侧压力景数＾ 倒压力系数 侧压力系数＾ 图３衬砌拱脚弯距 随侧压力系数变化曲线 图４衬砌最大轴力 随侧压力系数变化曲线 图５衬砌最大水平位移 随侧压力系数变化曲线 一１１８一 维普资讯 http://www.cqvip.com
广东建材２００７年第１１期 ｌ４ 研究与探讨 主 ｌ０ Ｖ ８ 主。 霎ｚ Ｏ ｌ ２ ４ ６ ８ ９ １０ 竖向压力水平Ｏ Ｙ（咖ａ） 图６衬砌拱顶竖向位移 随侧压力系数变化曲线 ４ 图７衬砌拱脚弯距 随应力水平变化曲线 图８衬砌最大轴力 应力水平变化曲线 增加了１．３７倍；衬砌最大水平围岩则在入为０．４时为 最小，当入从０．４变化到２．０时，衬砌最大水平位移从 ０．５ｍｍ增加到４．５ｎ１Ｊｎ；当入从０．１５变化得到２．０，拱顶 竖向位移从４．８６ｍｍ减少到０．９ｍｍ。 ，墓。 ３ 嚣２ ５ ２ 菱ｌ ５ ■ １ 篁。ｌ５ ０ 在侧压力系数一定（入＝０．７），当竖向应力水平。Ｙ 从１ＭＰａ变化到１０ＭＰａ，衬砌拱脚弯距从２５．１３６ｋＮ・ｍ变 成２３５．８７ｋＮ・ｍ，增大了８．３８倍，衬砌起拱线附近的轴 图９衬砌最大水平位移随应力水平变化曲线 １６ 力８．５６倍，衬砌最大水平位移增加了９．２５倍，衬砌拱 顶位移从１．５ｍｍ增加到１５．２ｍｍ，增加了９．０倍。 计算结果表明初始应力水平对软弱围岩衬砌力学 誊－。 厦８ ｅ 性状的影响巨大，相对来说，围岩应力水平对衬砌受力 的影响比侧压力系数敏感。而在竖向应力水平一定时， 围岩侧压力系数０．４～１．０区问对衬砌受力较为有利， 此时衬砌受力较均匀。● １ ２ ４ ６ ８ ９ １０ ｛Ｉ；４ 妻。 ０ 竖向压力水平０ Ｙ（１Ｉｐ８） 图１０衬砌拱顶竖向位移随应力水平变化曲线 【参考文献】 （１）公路隧道设计规范（ＪＴＪ ＤＴ０—２００４）．北京．人民交通出版社， ２００４ 力系数和围岩应力水平对衬砌力学行为的影响程度。计 算结果表明： （２）林永贵． 不同应力场软弱围岩隧道力学性状试验研究：［硕士 在围岩竖向应力水平一定（ｏ ：２ＭＰａ），当侧压力系 论文］．长安大学，２００６ 数入从０．１５变化得到０、３时，拱脚弯距减少了 （３）张志强，关宝树．软弱围岩隧道在高地应力条件下的变形规律 ６：６９６ １１５．２ ，当入从０．３变化得到２．０时，拱脚弯距增加 研究．岩土工程学报，２０００，４）张继奎，方俊波．高地应力千枚岩大变形隧道支护参数试验研 了２６．５％；当入从０．１５变化得到２．０，衬砌最大轴力 （究．铁道工程学报，２００５，５：６６ —１１９—
