不同隧洞围岩压力计算方法对管片力学特性影响研究.pdf

科研与管理水利规划与设计 年第 期:/不同隧洞围岩压力计算方法对管片力学特性影响研究刘启波 方腾卫 张建伟 刘 贺 江 琦(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司 广东 广州 华北水利水电大学水利学院 河南 郑州)摘要:为探究隧洞围岩压力计算方法对管片力学特性的影响 文章以榕江关埠引水工程为研究对象 依据全土柱理论、水工隧洞设计规范与普氏理论 种围岩压力计算方法 基于地层 结构法建立 有压输水隧洞精细化模型 分析其结构的安全稳定性 结果发现 隧洞处于安全状态 围岩压力计算方法对管片应力及变形影响较大 全土柱理论物理意义明确适用于浅埋隧洞 对于深埋隧洞可以选取普氏理论进行设计研究 该研究可为类似工程提供一定的理论参考关键词:隧洞 围岩压力 理论计算 数值模拟 力学分析中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:水工岩石力学教育部重点实验室开放基金()广州市基础研究计划()作者简介:刘启波(年)男 正高级工程师:通讯作者:张建伟(年)男 教授:全断面隧道岩石掘进机(简称)对围岩的扰动较小 开挖施工减少了施工作业人员 机械化程度较高 极大地改善了施工的安全性和工作环境 工期也大幅度减少 隧洞过流断面水力学特性好 因此在隧洞工程中被广为采用 管片结构是 这一施工工法的主要承载部件 管片结构的力学特性研究变得尤为重要 更是影响着整个工程的质量与安全针对 隧洞管片力学特性及围岩压力计算方法的研究 前人进行了大量工作 赵大洲等基于南水北调西线一期工程中深埋长隧洞的设计施工问题进行研究分析 通过建立三维有限元模型分析研究类围岩下围岩变形及内外水压力作用对管片结构安全稳定性的影响 佘成学等以青松水电站有压引水隧洞工程为基础 通过建立有压引水隧洞三维有限元模型计算分析灌浆层及高内水压力作用对管片接缝变形等的影响 刘谦彬等以位于喜马拉雅山脉的巴瑞巴贝引水隧道工程为基础 通过在管片衬砌外侧安装土压力盒、水压力计分析研究管片所受外部水土压力分布规律 并通过在管片安装前预埋的应变计来间接地监测管片结构的受力情况及力学特性 陈俊生等以广州地铁盾构隧道工程为研究对象 通过建立盾构施工有限元模型 对施工阶段管片结构进行力学特性分析 得出千斤顶对管片结构在施工期造成的不利影响最大 李鹏飞等通过对常见的全土柱理论、普氏公式、太沙基公式等 种隧道围岩压力计算方法进行比较分析归纳总结不同围岩压力计算方法的优缺点及适用范围 韩兴博等通过对多处盾构法隧道及新奥法隧道进行围岩压力现场测试 分析研究盾构隧道围岩压力分布规律和作用模式及不同围岩压力计算公式对盾构隧道的适用性 虽然上述学者对管片衬砌在围岩压力及内外水压力等组合工况作用下的力学特性和不同围岩压力计算方法适用性进行了大量的研究 但是都没有考虑到围岩压力计算方法对管片结构力学特性的影响隧洞地下结构设计计算一般有经验设计法、实用设计法、作用与反作用模型(荷载 结构法)、连续介质法、地层 结构法等 目前采用的计算方法大多以荷载 结构模型为基础 将围岩视作施载体而非承载体 然而 隧洞开挖的施工工法其特点就是进行衬砌结构的快速连续支护与安装 在进行隧洞开挖完成以后 隧洞围岩压力尚未释放时立即进行管片衬砌结构的安装 形成“管片 围岩”组合结构 共同成为统一的受力体 年第 期水利规划与设计科研与管理系 因此选用地层 结构法 更有利于 管片的力学特性研究综上 本文以榕江关埠引水工程中类围岩 输水隧洞区间段为研究对象 基于全土柱理论、水工隧洞设计规范与普氏理论 种围岩压力计算方法并结合三维有限元软件 采用地层 结构法建立计算模型分析管片的应力状态及位移变化规律 研究管片结构的稳定性 并比较分析全土柱理论、与普氏理论 种围岩压力计算方法的适用性 工程概况及地质条件 工程概况榕江关埠引水工程输水线路总长 由取水口及箱涵段、引水盾构隧洞、加压泵站、加压泵站至输水隧洞埋管段、输水隧洞(隧洞)、输水明渠、分水池及出水闸等建筑物组成 其中输水隧洞长约 此段输水线路主要采用隧洞方案 该地区地层大部分为类和类围岩为主 围岩条件较好 岩质坚硬 但是其中分布少量类及类围岩 围岩强度低 岩体较破碎 因此该部分隧洞工程的建设主要采用对围岩条件适应性强的 法进行施工开挖 并以传统的钻爆法辅助施工 类围岩 输水隧洞区间段处于全风化花岗岩层 该区间隧洞埋深为 衬砌型式采用管 片 衬 砌 管 片 衬 砌 内 径 为 外 径 为 开挖洞径为 管片外侧与围岩之间充填豆砾石并灌注水泥浆 地质条件工程区内主要为燕山二期中粗粒黑云母花岗岩 地质构造较简单 褶皱不发育 主要构造形迹以陡倾角发育的断裂为主 工程区内规模较大的断层共发育 条 宽 不等 两侧断层影响带宽约 不等 断层走向主要为北西向 与冲沟走向基本一致 倾向北东或南西的陡倾角断层为主 与隧洞夹角多为 断层带主要发育糜棱岩断层泥、压碎岩、角砾岩、石英脉等 断层带内偶夹弱风化岩裂隙密集破碎带 部分断层规模较大 断层影响带宽 对围岩稳定性影响较大 容易产生较大掉块、洞壁失稳、洞顶坍塌等破坏现象 围岩压力计算方法及计算过程类围岩无二次衬砌 有压输水隧洞的安全稳定性研究依据全土柱理论、和普氏理论这 种方法进行围岩压力的计算 全土柱理论计算法全土柱理论计算方法仅考虑了隧洞埋深的影响 未考虑隧洞跨度的影响 因此在进行有限元计算分析时 依据隧洞的实际埋深建立有限元模型的上覆土体的厚度 计算法围岩压力:根据工程现场情况判断 围岩压力的荷载计算更趋向于 的 中第 条:薄层状及碎裂散体结构的围岩 作用在衬砌上的围岩压力可按下式计算:垂直方向 ()()水平方向 ()()式中 垂直均布围岩压力/水平均布围岩压力/岩体容重/隧洞开挖宽度 隧洞开挖高度 由工程的基本资料可知 隧洞开挖洞径为 通过上述描述计算可得:由 计算出来的有效土柱深度为 垂直方向的围岩压力 水平方向的围岩压力 普氏理论计算法围岩压力:按照普氏理论计算围岩压力 计算过程如下:()判断 有压输水隧洞是否为深埋段按照普氏理论 隧洞深埋与浅埋的分界深度分界为:分界()()式中 隧洞开挖断面宽度 隧洞开挖断面高度 围岩坚固系数通过上述公式计算 将系数取到最大值为 时 计算得出 分界 由此得出 有压输水隧洞为深埋()确定有效土柱深度根据普氏理论的基本内容可按照下式计算有效的土柱深度:()科研与管理水利规划与设计 年第 期()式中 自然平衡拱的最大跨度 自然平衡拱的最大高度 由基本资料的数据可以计算得出有效土柱深度范围是 ()确定围岩压力数值普氏认为 作用在深埋松散岩体洞室顶部的围岩压力仅为拱内岩体的自重 但是 在工程中通常为了方便 将洞顶的最大围岩压力作为均布荷载不计洞轴线的变化而引起的围岩压力变化 据此洞顶最大围岩压力可按下式计算:()普氏围岩压力理论中的侧向压力可按下式计算:()()()计算得出竖向围岩压力范围 为 侧向压力 理论比较依据全土柱理论的围岩压力计算方法 围岩压力的大小只与隧洞的埋深有关 且隧洞实际埋深为 所以全土柱理论计算的围岩压力最大 依据 计算出来的有效土柱深度为 垂直方向的围岩压力 水平方向的围岩压力 依据普氏理论计算出来的有效土柱深度为 垂直方向的围岩压力范围 为 水平方向的围岩压力 有压输水隧洞精细化模拟 精细化模型及边界条件以榕江关埠引水工程中类围岩 输水隧洞区间段为研究对象 建立 有压输水隧洞安全精细化模型 根据全土柱理论、和普氏理论计算出的有效土柱深度的不同 隧洞的埋深也不相同 三维有限元整体模型如图 所示 模型主要包括围岩层、固结灌浆层、豆砾石灌浆层和管片层 模型尺寸以隧洞中心点为起点分别向左、向右、向下延伸 倍洞径 隧洞开挖方向长度为 其包括两端的边界效应区域 模型网格剖分主要以规则六面体单元为主 减少计算中力传递产图 有压输水隧洞安全精细化三维模型生的应力集中现象 模型中用面 面接触模拟管片层与豆砾石灌浆层、豆砾石灌浆层与围岩之间的相互作用 即法向上定义为硬接触 允许接触面之间发生分离 切向上服从库伦摩擦定律 当切向应力达到临界值后允许发生滑移 摩擦系数取 年第 期水利规划与设计科研与管理模型左右边界施加 方向的法向约束 前后边界施加 方向的法向约束 底部边界施加全约束数值模拟计算中 围岩、管片、豆砾石灌浆层均采用三维实体单元()模拟 隧洞围岩采用 屈服准则本构模型 钢筋混凝土管片及豆砾石灌浆层则采用线弹性本构模型 材料参数见表 表 有限元材料计算的参数材料名称密度/(/)弹性模量/泊松比凝聚力/内摩擦角/()类围岩 固结灌浆层 豆砾石灌浆层 管片 加载方式在进行数值计算分析时 首先进行地应力平衡模拟初始地应力场 保证围岩结构初始地应力状态的正确性 管片结构外表面沿高度方向施加不均匀分布的外水压力 内表面沿高度方向施加不均匀分布的内水压力 计算工况及荷载为探究不同荷载组合工况对隧洞结构的力学特性的影响 揭示其应力、位移等变化规律 以期为其结构设计及运行管理提供理论参考 结合工程实际 设置 种荷载组合工况 开展隧洞结构有限元计算 具体如下:工况:隧洞穿越典型区段围岩压力作用工况工况:隧洞穿越典型区段围岩压力 外水压力作用工况工况:隧洞穿越典型区段围岩压力 内水压力作用工况工况:隧洞穿越典型区段围岩压力 内水压力 外水压力作用工况各计算工况的荷载组合方式见表 表 各个工况荷载组合工况埋深/桩号内水压力/外水压力/工况 工况 工况 工况 管片力学特性分析为了研究无二次衬砌 有压输水隧洞的安全稳定性 对不同荷载组合工况作用下同一参考断面的应力及位移进行对比分析 管片拉应力分析工况 围岩压力荷载作用下 不同围岩压力计算方法的管片最大主应力云图如图 所示 由图可知 在全土柱理论计算方法下管片的较大拉应力区图 管片最大主应力云图科研与管理水利规划与设计 年第 期主要发生在拱顶、拱底及管片拱顶和拱底边缘区域 所 受 拉 应 力 的 最 大 值 为 在 计算方法下 管片无受拉区 在普氏理论有效土柱深度为 时 管片的较大拉应力区主要发生在拱顶内侧区域 所受拉应力的最大值为 在普氏理论有效土柱深度为 时管片的较大拉应力区主要发生在拱顶内侧区域 所受拉应力的最大值为 管片的最大拉应力均小于 水工混凝土结构设计规范 混凝土抗拉强度标准值 均满足规范要求不同荷载组合工况作用下 同一参考断面的最大主应力最大值结果对比图 如图 所示 在基于全土柱理论方法进行计算分析时 不同荷载组合工况在管片结构上产生的最大主应力的最大值均为正值(即管片结构存在受拉区)在基于 计算的围岩压力作用下 不同荷载组合工况在管片结构上产生的最大主应力的最大值均为负值(即管片结构无受拉区)在普氏理论有效土柱深度为 的围岩压力作用下 在仅有围岩压力和在检修期有围岩压力和外水压力作用下 在管片结构上产生的最大主应力的最大值为正值 在普氏理论有效土柱深度为 的围岩压力作用下 不同荷载组合工况在管片结构上产生的最大主应力的最大值均为正值图 管片最大主应力最大值结果对比图围岩压力的大小会对管片结构是否产生受拉区产生一定的影响 因此在进行管片结构安全稳定性研究时 应根据施工现场的实际情况选取合理的围岩压力计算方法 保证研究结果的正确性与合理性 管片压应力分析工况 围岩压力荷载作用下 不同围岩压力计算方法的管片最小主应力云图如图 所示 由图可知 在全土柱理论计算方法下管片承受最大压应力区域位于拱腰内侧区域 所受压应力的最大值为 在 计算方法下 管片承受的最大压应力区域位于拱顶外侧区域 所受压应力的最大值为 在普氏理论有效土柱深图 管片最小主应力云图 年第 期水利规划与设计科研与管理度为 时 管片承受最大压应力区域位于拱顶外侧区域及拱顶与拱腰之间的内侧区域 所受压应力的最大值为 在普氏理论有效土柱深度为 时 管片承受最大压应力区域位于拱顶外侧区域及拱顶与拱腰之间的内侧区域 所受压应力的最大值为 管片的最大压应力均小于 混 凝 土 抗 压 强 度 标 准 值 均符合规范标准不同荷载组合工况作用下 同一参考断面的压应力最大值结果对比图 如图 所示 基于全土柱理论计算的围岩压力作用下不同荷载组合工况