软硬互层隧道稳定性分析及初期支护优化

发布时间：2019-11-27 05:05

【摘要】：采用ANSYS非线性接触分析方法,考虑层理效应并应用于重庆四面山隧道V级砂泥互层段进行围岩稳定性分析及初期支护优化.研究表明:隧道开挖后拱顶下沉值为水平收敛值1.5~2.0倍,拱肩处锚杆受力较拱顶处大,拱腰及拱脚处锚杆几乎不受力;根据水平软硬互层隧道开挖后围岩变形及支护受力特点,优化锚杆支护,得出砂泥互层施工段可将与岩层夹角小于35°范围的锚杆取消.在原有方案及优化方案施工段进行现场测试,结果显示模拟及优化数值与测试值基本符合.研究成果可在类似隧道施工中推广应用.
【图文】：

变化图,层理,位移场,隧道开挖

平方向竖直方向未考虑层理２．１１４８．００考虑层理３．２２５１．３０２．２层理变形分析在隧道开挖前后，层理自身位移场也发生了变化．如图２（ａ）和（ｂ）中，开挖前层理在地应力作用下最大滑移量为０．０１６９ｍｍ，隧道开挖后层理最大滑移量为０．２６７ｍｍ，为开挖前的１５．８倍，变化明显．图３（ａ）和（ｂ）中，开挖前层理最大剥离量为０．０９２６ｍｍ，开挖后最大剥离量为０．９３８ｍｍ，为开挖前的１０．１倍，变化相对较小，层理滑图２开挖前后层理位移场变化图３开挖前后层理黏结剥离（色标单位：ｍｍ）移较黏结剥离更易受隧道开挖影响．隧道开挖后，层理位移场最大值均出现在隧道开挖区域附近，这是因为隧道开挖使得隧道附近岩体层间受应力重分布影响最大，离隧道开挖区域越远，层理的位移场受隧道开挖变形影响越小．可见隧道开挖过程中由于层理的存在，导致了周边围岩层间错动和变形挤出等破坏现象发生［１５］．２．３围岩位移场分析采用非线性接触分析方法，考虑软硬互层围岩层理效应，对四面山隧道Ｖ级砂泥互层段开挖围岩变形及初期支护受力进行分析．隧道开挖位移场模拟结果如图４所示，隧道水平方向最大位移为３．２２ｍｍ，发生在拱腰与拱脚处．隧道开挖后水平收敛值为６．４２ｍｍ，拱顶最大沉降量为１１．３３ｍｍ，拱底由于隧道开挖产生底鼓，位移为正值，底鼓最大量为８．２５ｍｍ．可见：在软硬互层围岩中进行隧道施工，水平收敛值较小，而拱顶下沉量更大．隧道开挖后应力场变化结果如图５所示，最大主应力最大值为１．８４ＭＰａ，出现在拱底处；最小

分布图,色标,隧道开挖,位移场

图４隧道开挖位移场（色标单位：ｍｍ）图５隧道开挖应力场（色标单位：ＭＰａ）轴力最大值为２８１０ｋＮ，出现在拱肩处．对应衬砌所受最大压应力为９．８ＭＰａ，最大拉应力为０．９ＭＰａ．Ｃ２０喷衬的抗压强度设计值为１１．０ＭＰａ，抗拉强度设计值为１．１ＭＰａ．可见：衬砌受力处于正常范围．图６衬砌轴力图（色标单位：ＭＮ）锚杆所受轴力分布如图７所示，锚杆受力分布对称．锚杆近端受力大，远端受力相对更小．另外，隧道拱肩处锚杆轴力最大，且大于拱顶处锚杆图７锚杆轴力分布图（色标单位：ｋＮ）轴力，最大值为９７．６ｋＮ．拱腰处锚杆受力相对更小，支护作用效果很小，最小值为１７ｋＮ．由于拱脚处锚杆受到了土体向下的摩擦阻力，因此该部位锚杆受压，压力最大值为１９ｋＮ，数值较小．锚杆最大拉应力为７３．７ＭＰａ，，钢筋抗拉强度设计值为１３０ＭＰａ，锚杆受力在正常范围．可见：Ｖ级砂泥互层隧道开挖后围岩变形及应力稳定，初期支护受力满足要求．３锚杆支护优化结果分析由上述分析得出：隧道水平收敛数值较小，且拱腰及拱脚处锚杆支护作用很小，目前采取的锚杆支护方式偏保守．结合水平软硬互层围岩特点，进一步对隧道相应位置的锚杆数量进行优化，观察衬砌及锚杆结构整体的受力变化．锚杆与岩层夹角（θ）对衬砌及锚杆最大轴力（Ｆｃ和Ｆｍ）影响如图８所示．结果显示：当把与岩层夹角小于４０°的锚杆全部取消以后，衬砌及锚杆的最大轴力数值均发生了突变，且衬砌最大轴力达３１３０ｋＮ，对应压应力为１１．７ＭＰａ，超出了Ｃ２０喷射混凝土本

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