胡謀鵬

中國石油天然氣管道工程有限公司

 

 

摘要：運用地層結(jié)構(gòu)法對Ⅳ級圍巖及Ⅴ級圍巖一般段支護結(jié)構(gòu)進行計算分析。結(jié)果顯示各計算模型圍巖位移及支護結(jié)構(gòu)受力均較小，在規(guī)范規(guī)定的各級圍巖允許位移及結(jié)構(gòu)安全范圍內(nèi)，支護結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備。

關(guān)鍵詞：天然氣管道；隧道；支護結(jié)構(gòu)；地層結(jié)構(gòu)法； MIDAS/GTS

 

 

 

地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法主要有荷載結(jié)構(gòu)法和地層結(jié)構(gòu)法。地層結(jié)構(gòu)法計算方法簡單，工作量小，具有明確的安全系數(shù)評價方法，但由于未考慮圍巖的自承能力，設(shè)計結(jié)果較保守。但其更適用于地下結(jié)構(gòu)的實際情況，據(jù)此，分別對Ⅳ級圍巖及Ⅴ級圍巖一般段支護結(jié)構(gòu)進行計算分析。

1 數(shù)值模擬的前處理

1.1 計算模型

基于MIDAS/GTS完成計算分析。隧道屬于細長型結(jié)構(gòu)物，其橫斷面相對縱向的長度小很多，可以假定在圍巖荷載作用下，其縱向沒有位移，只有橫向發(fā)生位移，可以采用平面應(yīng)變模型進行力學(xué)分析。計算不考慮空間效應(yīng)，采用二維平面計算模型，所有材料均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性，初始應(yīng)力場由自重應(yīng)力生成，不考慮構(gòu)造應(yīng)力，地層的應(yīng)力/應(yīng)變在彈塑性范圍內(nèi)變化，依據(jù)摩爾—庫倫強度準則，結(jié)構(gòu)材料采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

地層采用平面應(yīng)變單元模擬，支護結(jié)構(gòu)中的鋼架（型鋼鋼架或格柵鋼架）和噴射混凝土用等效方法將鋼架的彈性模量折算給噴射混凝土；二次襯砌也采用平面應(yīng)變單元模擬，錨桿以植入式桁架單元模擬。通過提高加固圈圍巖參數(shù)體現(xiàn)超前支護對圍巖的預(yù)加固效果。計算不考慮鋼筋網(wǎng)的支護作用，將其作為安全儲備。

1.2 初始地應(yīng)力模擬

巖體初始地應(yīng)力由自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力組成。通過水平側(cè)壓力系數(shù)法計算得到的應(yīng)力狀態(tài)設(shè)定為初始應(yīng)力狀態(tài)。水平側(cè)壓力系數(shù)K0，初始應(yīng)力σν，水平應(yīng)力計算式為σh＝K0σν。

1.3 荷載確定

采用地層結(jié)構(gòu)法計算時，通過設(shè)置荷載釋放系數(shù)來控制隧道的受力，將地應(yīng)力按照工況分成幾部分逐步釋放，以使圍巖和支護結(jié)構(gòu)能按較合理的分擔(dān)比例共同承受釋放荷載的作用。

1.4 約束確定

實踐和理論分析表明，由于荷載釋放而引起的洞室周圍介質(zhì)的應(yīng)力和位移變化，在5倍洞徑范圍之外小于1%，在3倍洞徑之外約小于5%。因此，本計算模型的邊界范圍為：對深埋一般段隧道，水平方向 左、右兩邊和隧道上、下方向取洞高的5倍；對淺埋段隧道，水平方向左、右兩邊和隧道下方取洞高的5倍，隧道上方按照實際地形尺寸設(shè)置。計算時施加的邊界條件是：模型兩側(cè)邊界約束水平方向的位移、底部邊界約束豎向位移。

2 隧道支護參數(shù)與施工方案

天然氣管道工程隧道設(shè)計施工遵循新奧法原理，隧道支護參數(shù)根據(jù)隧道的圍巖和埋深情況設(shè)置。

Ⅳ級圍巖段支護參數(shù)為：錨噴支護襯砌，拱墻系統(tǒng)錨桿L =2 m（φ 22砂漿錨桿），間距1.2×1.2 m，梅花型布置； φ6.5鋼筋網(wǎng)25×25 cm（拱部單層）；C30噴射混凝土（加塑料纖維）厚20 cm。

Ⅴ 級 圍 巖 一 般 段 支 護 參 數(shù) 為 ： 錨 噴 支 護 襯砌，拱墻系統(tǒng)錨桿L =3 m（φ 22砂漿錨桿），間距1.0×1.0 m，梅花型布置； φ 6.5鋼筋網(wǎng)25×25 cm（拱部雙層，邊墻單層）； C30噴射混凝土（加塑料纖維）厚25 cm；格柵鋼架高10 cm，間距1.0 m，φ20主筋； φ22鎖腳錨桿， L =3.5 m，每斷面2根。

隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖段采用全斷面開挖施工。

3 Ⅳ級圍巖段支護結(jié)構(gòu)計算

3.1 計算模型的建立及參數(shù)選取

Ⅳ級圍巖段開挖跨度4.40 m，開挖高度4.55 m，模型計算范圍為：水平方向左、右兩邊和隧道上、下方向取洞高的5倍。模型共劃分總單元數(shù)6 359個，節(jié)點總數(shù)為6 213個，計算模型總體網(wǎng)格和細部網(wǎng)格劃分如圖 1所示。釋放荷載分擔(dān)比例為：開挖階段釋放50%，施作第一層噴錨支護階段釋放30%，第二層噴射混凝土施作階段釋放20%。隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)取值見表 1。

施作第二層噴射混凝土模擬；第二層噴射混凝土硬化模擬。

3.2 計算結(jié)果及分析

3.2.1 圍巖位移

模擬的圍巖豎向及水平向位移云圖分別如圖 2和圖 3所示�？梢钥闯�，隧道拱頂位置沉降量最大，為0.72 mm，隧底出現(xiàn)較大底鼓現(xiàn)象，最大底鼓量為 1.02 mm，水平位移（凈空方向）最大值出現(xiàn)在隧道左右側(cè)邊墻中部，均約為0.39 mm�？傮w來看，隧道位移較小。

                

3.2.2 錨桿軸力

模擬的錨桿軸力分布如圖 4所示（圖中軸力“＋”為受拉，“－”為受壓，下同）。

可以看出，整個隧道斷面錨桿全部呈受拉狀態(tài)，隧道邊墻部位錨桿受到的拉力較大，兩側(cè)拱腰位置錨桿受力最小，最大軸向拉力約為6.6 kN，應(yīng)力值為20.8 MPa，小于錨桿的屈服強度340 MPa。總體來看，系統(tǒng)錨桿發(fā)揮了其承載能力，對限制隧道變形、改善圍巖及支護受力狀況起到了作用。

3.2.3 噴射混凝土內(nèi)力

模擬的噴射混凝土第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布分別如圖 5和圖 6所示�？梢钥闯�，整個隧道斷面噴射混凝土第一主應(yīng)力極值為2.6×10-3 MPa，滿足C30噴射混凝土抗拉設(shè)計強度1.5 MPa的要求；拱腳部位外側(cè)噴射混凝土第三主應(yīng)力較大，最大值為-1.6 MPa，滿足C30噴射混凝土抗壓設(shè)計強度15 MPa的要求。

                

4 Ⅴ級圍巖一般段支護結(jié)構(gòu)計算

4.1 計算模型的建立及參數(shù)選取

Ⅴ 級 圍 巖 一 般 段 開 挖 跨 度 4.5 m ， 開 挖 高 度4.6 m，模型計算范圍為：水平方向左、右兩邊和隧道上、下方向取洞高的5倍。模型共劃分總單元數(shù)6 457個，節(jié)點總數(shù)為6 074個，計算模型總體網(wǎng)格和細部網(wǎng)格劃分如圖 7所示。釋放荷載分擔(dān)比例為：開挖階段釋放45%，施作第一層噴錨支護階段釋放30%荷載，第二層噴射混凝土施作階段釋放25%。隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)取值見表 2。

隧道施工模擬依次為：初始應(yīng)力狀態(tài)模擬；全斷面開挖模擬；全斷面施作第一層噴錨支護結(jié)構(gòu)（噴射混凝土、格柵鋼架及錨桿）模擬；第一層噴射混凝土硬化模擬；施作第二層噴射混凝土模擬；第二層噴射混凝土硬化模擬。

4.2 計算結(jié)果及分析

4.2.1 圍巖位移

模擬的圍巖豎向及水平向位移云圖分別如圖 8 和圖 9所示�？梢钥闯�，隧道拱頂位置沉降量最大，為1.05 mm，隧底出現(xiàn)較大底鼓現(xiàn)象，最大底鼓量為1.69 mm，水平位移（凈空方向）最大值出現(xiàn)在隧道左右側(cè)邊墻中部，均約為1.26 mm�？傮w來看，隧道位移較小。

                

4.2.2 錨桿軸力

模擬的錨桿軸力分布如圖 10所示�？梢钥闯觯�整個隧道斷面錨桿全部呈受拉狀態(tài)，隧道邊墻部位錨桿受到的拉力較大，拱部錨桿受力較小，最大軸力約為36.5 kN，應(yīng)力值為96.1 MPa，小于錨桿的屈服強度340 MPa。

4.2.3 噴射混凝土內(nèi)力

模擬的噴射混凝土第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布分別如圖 11和圖 12所示�？梢钥闯�，整個隧道斷面邊墻內(nèi)側(cè)噴射混凝土第一主應(yīng)力較大，最大值為 0.05 MPa，滿足C30噴射混凝土抗拉設(shè)計強度1.5 MPa的要求；邊墻部位外側(cè)噴射混凝土第三主應(yīng)力較大，最大值為﹣2.96 MPa，滿足C30噴射混凝土抗壓設(shè)計強度15 MPa的要求。

                

5 結(jié)論及建議

（1）采用地層結(jié)構(gòu)法分別對Ⅳ級圍巖及Ⅴ級圍巖一般段支護結(jié)構(gòu)進行計算，圍巖最終位移及支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值計算結(jié)果見表 3（表中應(yīng)力“＋”為受拉，“－”為受壓），結(jié)果顯示各計算模型圍巖位移及支護結(jié)構(gòu)受力均較小，在規(guī)范規(guī)定各級圍巖允許位移及結(jié)構(gòu)安全范圍內(nèi)，支護結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備，表明設(shè)計采用的隧道支護參數(shù)及施工方案能夠滿足工程要求。

（2）計算參數(shù)按照一般值選取，沒有進行嚴格的材料試驗，且實際隧道施工各階段圍巖荷載釋放率與計算中所采用的荷載釋放率難免有出入，因此，盡管計算結(jié)果顯示圍巖位移及支護受力均較小，施工中還應(yīng)重視監(jiān)控測量工作，必要時應(yīng)對圍巖位移及支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行全面監(jiān)測，了解隧道變形及受力情況，進行反饋設(shè)計，以確保隧道的建設(shè)更加安全、經(jīng)濟。

 

作者簡介：胡謀鵬， 1977年生，2007年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)巖土工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事地下水封儲油庫和穿跨越的設(shè)計工作。聯(lián)系方式： 15931638925， 58921640@qq.com、 humoupeng@cnpc.com.cn。