岩体隧道围岩弹塑性变形条件下管片衬砌支护机理研究

发布时间：2021-11-15 06:16

　　基于D-P屈服准则的围岩支护作用理论,以隧道掘进机（TBM）施工过程中支护位置与掌子面的距离作为动态参数,综合考虑注浆圈的应力变形特征,构建岩体隧道围岩弹塑性变形条件下围岩、注浆圈和管片衬砌三者动态变形协调方程,提出三者的变形计算方法和管片衬砌围岩压力计算方法,明确管片衬砌对采用TBM开挖的岩体隧道的支护机理。针对新街台格庙岩体隧道工程实例,计算不同支护条件下围岩变形及管片衬砌围岩压力,并通过数值模拟验证理论方法的合理性和有效性。结果表明:如果在掌子面开挖处开始进行支护,管片衬砌围岩压力将达到1.91 MPa,管片安全系数仅为0.76;如果在掌子面后4 m开始进行支护,安全系数将提升至1.25。建议距离掌子面12 m处开始进行支护,可将围岩压力降至0.24 MPa,管片衬砌具有较高的安全系数。 

【文章来源】：中国铁道科学. 2020,41(04)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

围岩收敛变形曲线

围岩—注浆圈—管片衬砌相互作用动态过程中，各个时刻的结构变形关系如图2所示。图中：R为隧道开挖半径；r1为管片外径；r0为管片内径。从时刻t1到时刻t2，注浆圈压缩变形为Δu1，管片衬砌径向变形为Δu2。根据变形协调关系，相互作用过程中，围岩变形量u0等于注浆圈压缩变形量Δu1与管片衬砌径向变形量Δu2之和，结合公式（1），可以得到TBM开挖岩体隧道围岩、注浆圈和管片衬砌三者动态变形协调方程为2 围岩—注浆圈—管片衬砌变形量

为了验证本文提出的管片围岩压力计算方法的有效性，针对此TBM岩体隧道工程，采用3DEC离散元软件进行数值模拟。建立的数值模型如图3所示，模型尺寸50 m×100 m×50 m。管片衬砌采用弹性本构模型，参数如表1所示；围岩选用基于D-P屈服准则的弹塑性本构模型，参数见表2；注浆圈采用弹性本构模型，弹性模量为1 GPa，泊松比为0.3。对于大埋深隧道，管片衬砌受力近似为静水压力环境，因此，在x和z方向边界施加P0=14.3MPa应力约束，在y方向施加位移为0的约束。本数值模拟的核心在于动态支护时机的模拟，应力释放率是关键的模拟参数，常用的给定应力释放率的方法显然无法满足本次模拟的要求。通过分析围岩—注浆圈—管片动态接触模型中各阶段的结构特征，本文提出的模拟方法如图4所示：假定支护范围为y=0～4 m；在y=4 m位置前方距离x处为掌子面，在无支护条件下进行一次平衡；在y=0～4 m范围内施作注浆圈和支护管片，同时开挖面继续推进20 m，进行二次平衡。以上方法可以明确模拟出支护时机对围岩变形和支护结构受力的影响。根据不同工况，x取值分别为0,4,8,12,16,20 m。


本文编号：3496203