加筋喷混凝土拱肋支护效应的数值模拟.pdf
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1、第3 1 卷 第 1 2 期 2 0 1 4年 1 2月 长 江科学 院 院报 J o u r n a l o f Y a n g t z e Ri v e r S c i e n ti fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e Vo 1 31 No 1 2 De c 2 0 1 4 D OI : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 5 4 8 5 2 0 1 4 1 2 0 1 4 2 0 1 4 , 3 1 ( 1 2 ) : 6 9 7 3 加筋喷混凝土拱肋支护效应的数值模拟 李金山, 秦卫星 , 盛松涛 , 李贺 ( 长沙理工
2、大学 水利学院, 长沙4 1 0 0 0 4 ) 摘要: 挪威隧道施工法提出的加筋喷混凝土拱肋支护在国内外工程实践 中被证明是一种经济、 高效的软弱围岩 支护结构。为更好地分析加筋喷混凝土拱肋对软弱围岩的支护效应 , 以挪威 F i n n f a s t 海底隧道软弱围岩段为工程 实例, 结合围岩质量 Q系统分类方法, 利用有限差分法对比研究了采用和不采用加筋喷混凝土拱肋 2种方案下软 弱围岩的变形、 应力分布规律及屈服区体积。研究结果表明加筋喷混凝土拱肋对软弱围岩具有良好的加固效果。 关键词: 软弱围岩; 加筋混凝土拱肋 ; 支护效应; 数值模拟 中图分类号 : U 4 5 文献标 志码
3、: A 文章 编号 : 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 4 ) 1 2 0 0 6 9 0 5 1 研究背 景 近年来 , 国内外越来越多地采用加筋喷混凝土 拱肋 、 钢纤维 喷混凝土及系统锚杆等组合结构作为 地下工程软弱围岩的永久支护 I 4 J 。这种支护结构 可有效降低建设成本和节省工期 J 。其 中, 加筋 喷混凝土拱肋在 1 9 7 4年 的 Q系统支护诺模图中就 被建议用于支护 Q值在0 0 0 10 1 之 间的软弱围 岩 , 经过 E y s t e i n G r i m s t a d和 N i c k B a r t o n等 人 2 0 0 2 年和 2
4、 0 0 4年 2次重要的补充完善 , 进一步细化 了不 同软弱围岩中加筋喷混凝 土拱肋 的结构形式, 为软 弱围岩 中加筋喷混凝土拱肋结构的设计和施工提供 了指导 卜 。然而 , 目前 Q系统支护设计诺谟 图中 加筋喷混凝土拱肋结构形式的确定还主要是根据工 程实践经验 , 原因是对该支护结构对软弱 围岩的支 护效应研究尚不系统 , 这影响了该支护结构在我国 地下工程 中的推广应用。 随着岩土理论和计算机技术的发展, 数值分析 方法 已在地下洞室围岩稳定和支护结构加固效应等 研究 中得到广泛应用 “ , 有 限差分法就是其 中一 种代表性 的方法 。为更好 地分析加筋 喷混凝 土 拱肋对软弱
5、围岩 的支护效 应 , 本 文 以挪威 F i n n f a s t 海底隧道软弱围岩段为工程实例 , 利用有限差分方 法对 比分析采用和不采用加筋喷混凝土拱肋 2种方 案下 围岩的变形 、 应力分布规律及屈服区体积 , 以期 为在我国地下工程中更好运用加筋喷混凝土拱肋支 护结构提供技术支持。 2加筋喷混凝土拱肋 加筋喷混凝土拱肋由锚杆 、 螺纹钢筋 、 箍筋及喷 混凝土组成 , 施加于喷层 的表面。螺纹钢筋的布置 形式一般为单排或双排 2种 , 先用锚杆和箍筋对钢 筋固定 , 再用钢纤维喷混凝土覆盖钢筋 。 加筋喷混凝土拱肋组成及施工顺序见图 1 , 图 1 ( a ) 表示隧道轴向剖面示
6、意图, 图 1 ( b ) 表示隧道横 向剖面示意图。图中数字标号至表示施工的先 后顺序。喷混凝土可进一步增加喷层 刚度 , 改善 围 岩和喷层 的受力 状态 、 封 闭保 护螺纹钢筋与锚 杆。 锚杆可以起到悬 吊、 组合梁及挤压加固的作用 , 同时 还可以固定螺纹钢筋 。螺纹 钢筋和喷混凝 土有 良好粘结能力 , 可承受较大的拉应力和剪应力 , 从而 能承担更大的围岩压力 。箍筋起到固定多根螺纹钢 筋的作用 。 喷混凝 土与锚杆 、 螺纹钢筋及箍筋组成 螺纹钢筋 墨 筋 ( a ) 隧道轴 向剖面示意图 ( b ) 隧道横向剖面示意图 图 1 加 筋喷混凝土拱肋组成及 施_T J ff 序
7、图 Fi g 1 Co mp o n e n t s a n d c o n s t r u c t i o n s e q u e n c e o f RRS 收稿 日期 : 2 0 1 3 0 7 2 0; 修回日期 : 2 0 1 3 0 91 5 基金项 目: 国家 自然科学基金项 目( 5 1 2 0 8 0 6 2 ) 作者简介 : 李金山( 1 9 8 9一) , 男 , 湖北宜昌人 , 硕士研究生 , 研究方向为岩土体结构变形与控制技术 , ( 电话 ) 1 5 3 0 7 4 9 4 0 8 9 ( 电子信箱 ) 7 1 4 5 4 3 0 3 1 q q c o m。 通讯
8、作者: 秦卫星( 1 9 7 8 一) , 男, 湖北仙桃人, 副教授, 博士, 研究方向为岩土体结构变形与控制技术, ( 电话) 1 3 7 8 7 1 2 5 4 1 6 ( 电子信箱) s t a r - q wx 0 08 1 6 3 C O IT I 。 第 1 2期 李金 山 等 加筋喷混凝土拱肋支护效应的数值模拟 7 1 3 3 计算方案 为体现加筋喷混凝土拱肋的支护效应 , 按 以下 2种施工方案进行仿真模拟。 方案 1 : 隧道分 4步进行开挖 , 第 1步开挖 0 3 n l , 第 2步开挖 3 6 m, 第 3步开挖 6 9 m, 第 4 步开挖 91 1 i n ,
9、开挖之后不进行 加筋喷混 凝土拱 肋支护。 方案 2 : 隧道开挖步与方案 1 相 同, 但每步开挖 后及时进行加筋喷混凝土拱肋支护。3条加筋喷 昆 凝土拱肋的中心分别位于 为2 5 , 5 5 , 8 5 m处 , 并 分别记为 1 , 2 , 3 拱 。 3 4 计算结果分析 为了更好分析加筋喷混凝 土拱肋的支护效应 , 本文对 比了 2种计算方案下 7个特征点 的位移值 、 3 个特征断面的主压应力分布及整个模型的屈服区体 积 。特征点 1至 7分 别 对应 平 面 y为 0, 2 5 , 4, 5 5, 7, 8 5 , 1 1 I T I上 的拱 顶 位 置。3个 特 征 断面 II
10、, 一, 一分别对应平面 y为2 5 , 5 5 , 8 5 m。特征点和特征断面位置如图 4 。 厂 厂 单 位 : m 图 4特征点和特征断面位置 示意 图 Fi g 4 Po s i t i o n of c har a c t e r i s t i c po i n t s a nd s e c t i o ns 3 4 1 位移分析 施工过程 中, 各特征点沉降量随着开挖步变化 规律见表 5 , 表 6 。 表 5方案 1开挖过程 中各特征 点沉 降值 Ta b l e 5 S e t t l e me n ts o f c h a r a c t e ris t i c p o
11、i n ts d u rin g e x c a v a t i o n ( c a s e 1 ) 表6 方案2开挖过程中各特征点沉降值 Ta b l e 6 S e t t l e me n t s o f c ha r a c t e ris t i c p o i n t s d u r i n g e x c a v a t i o n ( c a s e 2) 开挖步 各特征点 的沉降值 ram 1 3 O 1 41 2 5 7 6 6 5 0 2 21 6 31 6 4 6 9 5 5 9 由表 5至表 6可知, 方案 1 , 方案 2拱顶沉降量 均随掌子面向前推进而增大 , 但
12、 2方案下沉降量 的 大小不同。开挖 0 3 m时, 由于方案 2还未进行支 护 , 2种方案的拱顶沉降值是相同的。开挖 36 I n 时 , 方案 2在 2 3 r n处进行了加筋喷混凝土拱肋支 护。此时, 1 拱 的支承作用开始显现 , 方案 2的拱顶 沉降最大值相 比方案 1减小 了 1 3 mm左右 。当开 挖距离小于 6 m时 , 2种方案 的拱顶沉降量的差距 较小 。而开挖 6 9 m时 , 1 和 2 拱的支承作用同时 显现 , 2种方案的拱顶最大沉降值的差距逐渐拉 大。 开挖 91 2 i n时 , 方案 1中的拱顶沉 降量增长速度 快 , 不进行支护将会有垮塌的危险, 沉降最
13、大值达到 3 4 1 0 m E, 发生在 =0处。而方案 2中由于及 时 进行支护, 拱 顶最 大沉 降值 只有6 5 0 m m, 发生在 y= 0 处 , 相比只开挖不支护 , 减小了5 2 倍 , 且拱顶沉 降量增长速度明显减慢, 由此可见, 加筋拱肋结构能 有效控制围岩变形 , 确保隧道稳定。 3 4 2 应力分析 对比分析 了2种方案下施工完成后 3个特征断 面 II, 一, 一距洞周 1 倍洞径范围内围 岩 的主压应力的分布情况 , 结果表 明 3个特征断面 主压应力分布规律相似。以一断面位置局部范 围为例 , 对 比分析 2种方案下围岩主压应力分 布规 律 , 见 图5 。 y
14、 m l 0 m $、 、0 5 : 1 O 4 一 =j s 一 s -佣 1 0 1 4 j ( a ) 方案1 ( b ) 方案2 单位 : MP a 图 5 一 断面 主压应 力等值 线 F i g 5 C o n t o u r s o f p rin c i p a l s t r e s s o n s e c t i o n I I l l 由图 5可以看出 , 方案 1中由于无加筋拱肋支 护 , 顶部围岩没产生“ 拱效应 ” , 开挖 面附近 围岩 只 有0 4 0 5 MP a 的主压应力 。方案 2中由于采用加 筋喷混凝土拱肋 , 顶部围岩出现“ 承载拱 ” , 开挖 面
15、 附近围岩主压应力增大为1 4 2 3 MP a , 提高了大 约 4倍 。由此可见 , 加筋拱肋结构 能够提高围岩 自 身承载能力 , 明显改善隧道 围岩稳定性 。 3 4 3塑性区分析 对比分析了 2种方案下施工完成后 3个特征断 面 II, 一, 一围岩剪和拉塑性 区的分布 情况 , 结果表明 3个特征断面的剪 和拉塑性区分布 2 6 O 5 粥 钾 8 0 5 5 8 加 9 7 2 8 9 1 7 4 3 甜 5 4 7 2 H 第 1 2期 李金山 等加筋喷混凝土拱肋支护效应的数值模拟 7 3 2 93 3 ( S U Ka i ,WU He g a o ,J I ANG Ku i
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