某高速公路隧道地層-結構法計算Ⅴ級圍巖支護結構受力驗算計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u26194某高速公路隧道地層-結構法計算Ⅴ級圍巖支護結構受力驗算計算案例 1201131.1設計支護 1153331.2開挖方案 1141791.3數(shù)值模擬 165041.4計算結果及施工反饋 31.1設計支護本設計工程地質(zhì)條件是Ⅴ級圍巖，巖體較軟弱，因此需要對圍巖進行預支護。本設計的內(nèi)容為三車道高速公路隧道，查規(guī)范可知，本設計的襯砌應采用復合式襯砌。根據(jù)《隧道工程》中所學習的知識可知，對圍巖進行預支護有多種方法有水平旋噴超前預支護、注漿加固圍巖、堵水、穩(wěn)定工作面、管棚超前支護、超前預切槽預支護、超前預設錨桿等方法。根據(jù)對于本隧道區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)勘探，綜合分析各種方法優(yōu)、缺點后，選擇超前注漿小導管這一方法應用于Ⅴ級圍巖。具體超前注漿小導管參數(shù)參考4.1。1.2開挖方案根據(jù)《隧道工程》中所學習的知識，參照規(guī)范，綜合多種因素綜合判斷，選擇短臺階法進行機械開挖。1.3數(shù)值模擬本設計用MIDAS建模，以模擬開挖過程中圍巖、噴混和錨桿等的受力情況。設定隧道長度為80m，采用臺階法開挖，分8次掘進，每次掘進長度為10m。根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》附錄可查，Ⅴ級圍巖重度范圍為17～20kN/m3，變形模量1～2GPa，泊松比0.35～0.45，內(nèi)摩擦角20～27°，粘聚力0.05～0.2MPa。表1.1圍巖建模相關數(shù)據(jù)名稱彈性模量（）泊松比（）容重（）粘聚力（）摩擦角Ⅴ級圍巖2.0E+060.4520200由工程概況可知，本設計的Ⅴ級圍巖，地質(zhì)條件復雜，隧道圍巖較破碎，整個隧道的開挖控制比較困難，而隧道Ⅴ級圍巖地段節(jié)理、裂隙發(fā)育，圍巖透水性強。依據(jù)規(guī)范規(guī)定，彈性模量取2GPa，泊松比取為0.45圍巖容重取為20kN/m3,粘聚力取為0.2MPa，內(nèi)摩擦角取為25°。表1.2混凝土和錨桿建模用數(shù)據(jù)名稱材料模型類型彈性模量（）泊松比（）容重（）C30混凝土各向同性彈性2.5E+070.222錨桿各向同性彈性2.1E+080.378.5建模過程中混凝土和錨桿所用數(shù)據(jù)如上述，根據(jù)以上數(shù)據(jù)建模，由于本隧道分8次掘進，且開挖方法為臺階法，所以模型最終的施工階段分為12個階段.下圖為模型三維等軸測圖和主視圖：圖5-8模型主視圖圖5-9模型三維等軸測圖隧道各開挖階段中，要求對每個階段中，圍巖、襯砌的位移、應力、應變進行監(jiān)測。在此MIDAS模型中，隧道沿Y方向開挖，重力方向為Z方向。對圍巖來說，其位移沿縱向變化很小，重點監(jiān)測其水平方向及豎直方向的位移；因為圍巖對襯砌所施加的豎直壓力遠大于水平壓力，因而應重點監(jiān)測圍巖豎向的應力大?。粚鷰r應變也應適當進行監(jiān)測。對襯砌來說，襯砌與圍巖緊密相貼，故襯砌的位移和圍巖的位移數(shù)值大小相同，所以不必對襯砌進行位移分析，只需對圍巖進行橫向和豎向的位移進行分析即可；對襯砌的應力監(jiān)測，襯砌拼裝時用模筑混凝土襯砌，為保證千斤頂頂力大小適當，應監(jiān)測襯砌沿縱向的應力大小。此外，還需對錨桿中的軸力大小進行監(jiān)測。1.4計算結果及施工反饋（1）地表沉降情況按照以上情況進行開挖，初次開挖及施加仰拱并拆除內(nèi)部臨時支撐后的最終沉降結果如圖5-10，5-11：經(jīng)過軟件計算，統(tǒng)計出各施工階段造成的沉降量如表1.3所示：表5-3各開挖階段造成的沉降量（單位mm）過程CS1CS2CS3CS4CS5CS6CS7CS8CS9CS10CS11沉降量4.0724.9521.4526.2436.6597.1287.9028.118/8.6159.2049.406由上圖可以看出隧道開挖過程中隧道最大沉降位置在每個階段都不同，大致呈現(xiàn)著從拱底向拱頂過渡且隨著開挖的進程沉降量增幅先增大后減小，隧道最大沉降量為9.406mm。故建議開挖時，可減少每次開挖進尺，盡量減少最終沉降。在開挖斷面到二次襯砌施作這段時間里會有較多沉降產(chǎn)生，故建議在施工時，及時施作二次襯砌，盡可能早的使承載環(huán)封閉，減少沉降。圖5-10初次開挖沉降量圖5-11末次開挖沉降量（2）初期襯砌受力情況計算結果如下：圖5-12初期支護彎矩圖初期支護通過手算一般難以得出。此處可清晰看到初期支護的受力分布與二次襯砌比較相似，在拱頂和拱腰處受到較大的彎矩，在拱頂處彎矩值為11.3933千帕；在拱腰處彎矩值為24.1865千帕。故為了減少初期支護收到的彎矩，建議在施工時，五級圍巖段，噴混應適當加厚。（3）其他構件受力情況。圖5-13錨桿軸力圖圖5-15未施加注漿小導管土層塑性區(qū)圖5-16施加注漿小導管土層塑性區(qū)圖5-17土層總應力圖圖5-18土層總應變圖根據(jù)錨桿軸力圖可以看出位于拱腰和側墻處的錨桿受到的應力最大，最大值為101.282kN而在拱頂處錨桿所受到的軸力值為負，最大負軸力為-6.297kN，故建議在拱頂錨桿設置數(shù)量可適當減少而拱腰和側墻可適當增加錨桿數(shù)量。經(jīng)過資料查閱得知，施作小導管能有效改變周邊范圍圍巖的屬性，提高了軟弱破碎圍巖的結構力學參數(shù)，能形成承載力較高的改良加固帶，能起到錨桿、管棚和錨桿樁的多重效果。究其機理，即在超前小導管加固的圍巖斷面方向處，如果每個小導管之間的距離合適，并注漿飽滿，會與密貼松散圍巖形成連拱作用，以小導管為拱腳，其間跨度為導管間距，其數(shù)量值遠遠小于隧道開挖跨度，且小導管作為鋼材，能有效的為每個小拱提供支撐，故承載力較大；又由于小拱跨度較小，即使松散圍巖厚度即拱矢很小也很容易形成，他們共同形成群拱效應（如圖5-19）約束圍巖。1-小導管