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1、大 跨 扁 平 隧 道 中 仰 拱 的 研 究 陈力华1 任尚强1 靳晓光2 1招商局重庆交通科研设计院有限公司 重庆 400067 2重庆大学土木工程学院 重庆 400045 摘 要 仰拱是隧道衬砌结构的重要组成部分 仰拱能提高隧道结构的承载能力 以往研究主要通过塑性区范 围 应力 位移大小分析仰拱所起的作用 本文基于有限元强度折减法对比分析了各种工况下仰拱对大跨扁平隧道 结构安全系数大小的影响 得到了一些有益的结论 关键词 隧道 有限元强度折减法 安全系数 仰拱 1 概 述 仰拱是为改善隧道上部支护结构受力条件而设 置在隧道底部的反向拱型结构 公路隧道设计规 范 J TG D70 2004
2、 以下简称规范 指出3车道 隧道围岩为 级时应设置仰拱 1 一些学者认为仰拱在一定条件下对隧道保持稳 定起到重要的作用 并通过分析应力 应变 塑性区 等的关系对仰拱所起到的作用进行评价 2 4 事实 上 一定范围的塑性区或局部应力过大并不一定意 味着整个隧道不安全 目前公路隧道设计采用新奥 法 以充分发挥围岩山体自承载能力为基本原理 因 此研究仰拱对整个隧道结构安全储备的提高是否有 影响显然更有工程实用价值 郑颖人等学者利用有限元强度折减法对隧道结 构的安全性做了开创性的研究 5 7 计算得到了一 些隧道结构的安全系数 隧道安全系数这一概念的 提出使得隧道结构安全储备大小可以定量描述 本文将通
3、过有限元强度折减法对比分析大跨扁 平隧道在3种工况下有仰拱和无仰拱时结构安全系 数的大小 从而对仰拱在隧道结构中所起到的作用 及仰拱设置的条件做出阐释 2 隧道结构安全系数确定 2 1 有限元强度折减法 极限分析法是分析岩 土 体濒临破坏状态时的 力学分析方法 强度折减是一种岩 土 引入极限状 态的常用方法 一般的有限元法无法计算岩土工程 的极限荷载和安全系数 限制了它的工程应用价值 为了克服上述缺点 极限分析有限元法应运而生 它 使极限分析可以用数值分析方法运算 有限元强度折减法是有限元极限分析法的一 种 在边坡稳定性分析中得到了广泛应用 被多次证 明是能确定 边坡安全 系数及滑动 面的正
4、确方 法 8 12 该方法指有限元计算中将岩 土 体抗剪 切强度参数同时折减直到岩 土 体达到濒临破坏的 状态为止 1 3 即 c c F tan tan F 1 式中 c 分别为土的粘聚力与内摩擦角 折减系数 用F表示 临界破坏时的折减系数即为安全系数 隧道中设置系统锚杆 锚杆材料为符合Von Mises屈服准则的理想弹塑性材料 按照 强度折 减 的原理 为使在计算中锚杆的强度也应得到同步 折减 因此定义 fy fy F 2 式中fy fy 分别为锚杆在折减前后的屈服强度 2 2 隧道失稳在计算中的表现 在强度折减过程中 岩 土 体内通过应力重分 布 会在最薄弱的地方发挥最大的抗力 隧道结构
5、 中的材料均为理想的弹塑性材料 当材料进入屈服 状态后 在应力不增加的情况下应变可以无限增加 虽然各种因素对位移大小 塑性区的范围 程序 是否收敛有一定的影响 但这些因素不能改变濒临 破坏时位移突变的本质趋势 因此计算中采用特征 公路隧道2010年第2期 总第70期 9 点的位移突变作为隧道失稳的判别标志来计算稳定 系数 隧道围岩失稳从部位来说有拱顶悬垂与塌落失 稳 侧壁突出与滑移失稳 以及底拱鼓胀与隆起失 稳 因此可以将拱顶和底板的竖向位移 拱腰的水平 位移 周边收敛 作为特征点的位移 3 不同工况下仰拱发挥的作用 对隧道结构 安全系数反映的是隧道能保持稳 定 不发生坍塌 破坏 不产生较大变
6、形的能力 是评 价隧道稳定性 隧道强度储备大小 安全性的度量 值 在本文计算中只考虑最终成形隧道的安全系 数 原因如下 1 隧道在施工过程中更危险 安全储备更小 若采用强度折减法分施工步逐步计算隧道安全系 数 可能在中间步骤有限元计算就不收敛 不能得到 最终成形隧道的安全系数 2 不同的开挖方式 支护时机都会对最终围岩 和衬砌结构的的应力状况产生不同的影响 越早衬 砌 衬砌结构受力越大 围岩自稳能力不能充分发 挥 反之 围岩受力越大 衬砌结构的强度不能充分 发挥 但是无论选择怎样的衬砌时机 达到整个结 构濒临破坏时 围岩和衬砌都应充分发挥自身强度 均达到濒临破坏的极限状态 因此可以不考虑开挖
7、过程对应力分布的影响 计算中围岩材料和支护结构的物理力学参数见 表1 表1 材料物理力学参数 参数 材料 c E KN m3KPa KPa 级2411004413 1060 27 级2240032 3 6 106 0 33 级1812024 1 5 106 0 40 锚杆78 5 2 0 1080 26 喷混凝土24195053 2 5 107 0 167 二衬241950532 5 1070 167 说明 锚杆的屈服强度fy 400MPa 下面对仰拱在各种工况起到的作用作计算分 析 3 1 工况1 级围岩 无构造应力 建立的有限元模型如图1所示 采用三节点三 角形单元进行剖分 模型 a 共3
8、263个节点 6082 个单元 模型 b 4002个节点 7701个单元 锚杆 设置为杆单元 长度3 5m 间距 100 100cm 初 期支护厚度20cm 二衬厚度50cm a 无仰拱 b 有仰拱 图1 计算模型 提取不同折减系数对应的特征点位移大小 做 出折减系数与位移大小的关系曲线 如图2所示 a 设置仰拱 b 不设仰拱 图2 工况1计算结果 从图2 a 中可以看出 设置仰拱时 当折减系 数约为3 3时 各特征点的位移发生突变 可以认为 隧道结构的安全系数为3 3 从图 中可以看出 不设置仰拱时 各特征点大约在折减系数为3 3的 公路隧道2010年第2期 总第70期 2 b 01 位置发
9、生位移突变 可以认为隧道的安全系数为 3 3 由此可见 在 级围岩 无构造应力的情况下 仰拱对隧道结构安全系数影响不大 因此在类似情 况下可以不设置仰拱 3 2 工况2 级围岩 无构造应力 重新建立有限元模型 锚杆设置为杆单元 长度 4m 间距 75 75cm 初期支护厚度26cm 二衬厚 度60cm 模型不再展示 将计算结果做出折减系 数与位移大小的关系曲线 如图3所示 a 设置仰拱 b 不设仰拱 图3 工况2计算结果 从图3 a 可以看出 设置仰拱时隧道的安全系 数为2 5 从3 b 可以看出 不设置仰拱的隧道安全 系数为2 0 由此可见 级围岩中仰拱对提高整 个结构的安全储备大小起到了很
10、大的作用 图3 b 中可以看出 虽然整个结构在大约2 0的位置发 生位移突变 但各个特征点的突变时机各不相同 拱 脚位移发生突变略早于拱顶位移 可见隧道结构发 生破坏的原因是因为底板的承载力太低 3 3 工况3 级围岩 考虑构造应力 岩体是地质体的组成部分 其中存在的应力状 态十分复杂 大量的科研与工程实践均表明 在现 今工程所能涉及的范围内 岩体中的应力状态一般 并不符合静水压力的假定 它不仅取决于岩体的自 重应力 而且也取决于地质构造应力 文献 5 统计了一些地区构造应力的取值大小 下面考虑在 一定构造应力条件下隧道结构的安全系数大小 在工况1的模型中施加大小为3Mpa的水平均 布荷载作为
11、水平构造应力 做出折减系数与位移大 小的关系曲线 如图4所示 a 设置仰拱 b 不设仰拱 图4 工况3计算结果 从图4 a 中可以看出 设置仰拱时 当折减系 数约1 4时 各特征点的位移发生突变 可以认为隧 道结构的安全系数为1 4 从图4 b 中可以看出 当 折减系数为1 1时 拱顶位移开始突变 此时隧道结 构从拱顶开始破坏 折减系数为1 3的时底板上凸 周边收敛开始突变 隧道结构整体开始破坏 可见 在构造应力对隧道结构安全性影响较大 在构造应 力较大的情况下仰拱也能提供更多的安全储备 4 结论及建议 结合以上计算分析 可以得出以下结论 1 对于大跨扁平隧道在基本无构造应力的 级围岩段可以不
12、设置仰拱 构造应力较大 级围岩 段应设置仰拱 2 目前 隧道设计通过围岩级别类比确定相应 的支护参数 事实上 影响围岩稳定的因素除围岩级 别外 构造应力 埋深等因素也起到重要的作用 因 此在构造应力较大 埋深很深的情况下应特别注意 3 新奥法要求充分发挥围岩自稳能力 按照 陈力华等 大跨扁平隧道中仰拱的研究 14 1 11 强度折减 的理念 级围岩的自稳能力较 级围 岩约高2倍左右 见规范表A 0 4 1 因此规范给 定的建议衬砌参数仍有优化的空间 优化后的不同 级别围岩段应大致有同样的安全储备 对支护参数 的优化有待进一步研究 参考文献 1 重庆交通科研设计院 公路隧道设计规范 J TG D
13、70 2004 S 北京 人民交通出版社 2004年 2 罗 成 章继树 特大断面公路隧道仰拱受力机理分析 J 现代隧道技术 2006 增 225 228 3 宋 飞 成 铭 基于隧道荷载模式的仰拱力学分析 J 现代隧道技术 2006 增 192 194 4 李 明 陈洪凯 叶四桥 公路隧道仰拱力学行为的数 值模拟研究 C 2007年全国公路隧道学术会议 重 庆 重庆大学出版社 2007 165 170 5 郑颖人 胡文清 王敬林 强度折减有限元法及其在隧 道与地下洞室工程中的应用 J 现代隧道技术 2004 增刊 239一243 6 郑颖人 赵尚毅 岩土工程极限分析有限元法及其应用 J 土木
14、工程学报 2005 38 1 91 104 7 郑颖人 赵尚毅 邓楚键 等 有限元极限分析法发展及 其在岩土工程中的应用 J 中国工程科学 2006 8 12 8 Griffiths D V lane P A Slope stability analysis by fi2 nite elements J Geotechnique 1999 49 3 387 403 9 Dawson E M Roth W H Drescher A Slope stability analysis bystrength reduction J Geotechnique 1999 49 6 835 840 10 赵
15、尚毅 郑颖人 时卫民 等 用有限元强度折减法求 边坡稳定安全系数 J 岩土工程学报 2002 24 3 343 346 11 赵尚毅 郑颖人 邓卫东 用有限元强度折减法进行节 理岩质边坡稳定性分析 J 岩石力学与工程学报 2003 22 2 254 260 12 郑颖人 赵尚毅 有限元强度折减法在土坡与岩坡中 的应用 J 岩石力 学与工程 学报 2004 23 19 381 388 13 Ugai K A method of calculation of total safety factor of slopes by elastoplastic FEM J Soils and Founda2
16、 tions 1989 29 2 190 195 14 孙广忠 地质工程理论与实践 M 北京 地震出版 社 1996 15 朱焕春 李 浩 论岩体构造应力 J 水利学报 2001 9 81 85 3 3 3 3 3 3 我国代表性公路隧道工程 最长的公路隧道 秦岭终南山隧道 双洞总长36 04km 第1座双洞8车道公路隧道 深圳南坪快 速路雅宝隧道 最大规模的小净距公路隧道群 福建京福路小净距隧道群 最大跨度的8车道连拱隧 道 福建金鸡山隧道 第1座分岔式隧道 湖北沪蓉西高速公路八字岭隧道 无中墙连拱隧道 厦门 市成功大道浦南隧道 桥隧混合结构形式隧道 山西晋济路拍盘隧道 第1座大型暗挖地下互通式立交隧 道 厦门市机场路万石山隧道与钟鼓山隧道 第1座大跨公路棚洞隧道 宁淮高速公路江苏老山棚洞 隧道 海拔最高的公路隧道 青海大坂山隧道 海拔3392 75m 高地应力地区的典型隧道 川藏公路二 郎山隧道 最早建设的钻爆水下公路隧道 厦门翔安隧道 最大规模的盾构水下公路隧道 上海长江隧 道 最大规模的沉管水下公路隧道 上海外环沉管隧道 隧道分会供稿 公路隧道2010年第2期 总第70期 21
