西安至安康公路秦岭终南山特长隧道工程

5
2 模型的建立
2.1 摩尔－库仑理论（M-C） 节理岩体的破坏实际上是在外力作用下，结构面之间的岩桥发生破裂，从而使岩体
内的结构面互相组合、相互连接形成破坏面的过程。分析结构面的剪切破坏通常使用 Mohr Coulomb 破坏理论，其 Mohr Coulomb 强度参数 C、φ的值由试验确定。
本次分析时采用 M-C 本构模型，该模型是用来描述岩土体抗剪强度模型中的一种， 它比较简单而且比较符合实际。岩土体在外力作用下，沿着某一剪切面（或剪切带）发 生剪切破坏，在这个剪切面上的最大剪应力τ max 就等于该面上的抗剪强度 S，而强度 S 又与该面上的法向应力σ 有关，即 τ max = S = f (σ ) 。根据大量的资料，在τ − σ 坐标图上 为一曲线，称为强度线。由 M-C 强度理论，可知岩土体的抗剪强度由两部分组成，一部 分是滑动面上的粘聚力，能起到组织剪切的作用，另一部分是岩土体的摩擦阻力，常用 两个参数 C 和 ϕ 来描述，称为岩土体的强度指标。
15
图 3-11 Syy（Bot 应力）
图 3-12 Sxy（top 应力）
16
图 3-13 Sxy（Bot 应力）
图 3-14 σ1（top 应力）
17
图 3-15 σ1（Bot 应力）
图 3-16 σ2（top 应力）
18
图 3-17 σ2（Bot 应力） 3.1 竖井二次衬砌后支护后结构分析
图 2-3 几何模型图
图 2-4 网格划分图
9
2.5 开挖步骤的模拟 竖井与风道处围岩为Ⅲ级，岩体质量比较好，故模拟计算的开挖步长可以大一些，
开挖顺序见图 2-5，按 1→ 2……→ 8。开挖后及时施作初期支护和二次衬砌。
1
2
8
3
7
z
y
6
x 6
4 7
5 8
6
图 2-5 竖井及风道网格划分及开挖顺序
西安至安康公路秦岭终南山特长隧道工程 1 号竖井风道与竖井连接处计算分析
中交第一公路勘察设计研究院 隧道设计研究分院 2005-9-25
1
1 计算模型概况
秦岭特长公路隧道 1 号竖井位于秦岭北坡砭峪沟中游左侧 40m，竖井中心地面高程 1126m。1 号竖井的地质情况如下：上部 13m 为第四系全新统坡洪积层，以粉质粘土为 主，围岩划分为 V 级；下部为混合片麻岩，夹有少量片麻残留体，岩体受构造影响影响 严重，岩体比较破碎，以块状镶嵌结构为主，围岩划分为Ⅲ级围岩。地下水类型为 HCO3 －Ca 型水，无侵蚀性，竖井处地下水为基岩裂隙水，节理裂隙贫水段，可能单位涌水量 为 270m3/d。竖井主体采用隔板将风道分开。竖井内直径 10.80m，井深（不包括风塔） 高 190.4m。计算点选在竖井主体与排风道、送风道的连接处，即标高 935.678m 处。各 风道的参数见图 1～图 5。
图 3-28 Syy（Bot 应力）
24
图 3-29 Sxy（Top 应力）
图 3-30 Sxy（Bot 应力）
25
图 3-31 σ1（Top 应力）
图 3-32 σ1（Bot 应力）
26
图 3-33 σ2（Top 应力）
图 3-34 σ2（Bot 应力）
27
3.2 风道初期支护后结构分析
内力
表 2-1。
表 2-1 围岩地质参数
围岩级别 重度γ（KN/m3） 变形模量（GPa） 泊松比μ 粘聚力（MPa） 内摩擦角ϕ（º）
Ⅴ
18
1.5
0.40
0.10
25
Ⅲ
24
13
0.26
1.1
40
7
2.3 喷混和二衬参数
喷混和二衬在 GTS 中采用板单元来模拟，其采用的参数见表 2-2，板的厚度见表
2-3。
30
25
12（东西送风道初支）
30
23
30（东西送风道隔板）
31
25
45（东西送风道二衬）
31
25
15（竖井初支）
30
23
40（竖井隔板）
31
25
50（竖井二衬）
31
25
Poisson’s ration μ 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
2.4 模型的建立 1 号竖井的深度为 190.4m，岩体自重取 24KN/m3。在计算中选取关心的竖井风道与
（2）送风道开挖及二衬支护完成后，在送风道与竖井的交界处，出现了很大的应力 集中现象，最大压应力发生在送风道与竖井交叉的底部，为 3.65MPa，最大拉应力发生 在交接的顶部，为 1.70MPa。压应力虽然没有超过 C25 砼的极限强度 2.0MPa，其安全系 数明显偏低，仅为 1.17，但是在结构设计中，对二衬进行了配筋，这说明配筋是必要的。
表 2-2 喷混和二衬的参数
弹性模量（GPa）
重度γ（KN/m3）
泊松比μ
厚度
喷混
30
二衬
31
24.5
0.2
见下表
25
0.2
表 2-3 板厚度
Young’s modulus Plate thickness(cm) （GPa）
5（东西排风道初支）
30
Self weight γ（KN/m3）
23
35（东西排风道二衬）
图 3-18 Fxx（轴力）
19
图 3-19 Fyy（轴力）
图 3-20 Fxy（轴力）
20
图 3-21 Mxx（弯矩）
图 3-22 Myy（弯矩）
21
图 3-23 Vxx（剪力）
图 3-24 Vyy（剪力）
22
图 3-25 Sxx（top 应力）
图 3-26 Sxx（Bot 应力）
23
图 3-27 Syy（Top 应力）
28
29
30
31
应力
32
33
34
35
36
3.3 风道二次衬砌后结构分析
内力
37
38
39
40
应力
41
42
43
44
45
4 结论与建议
（1）竖井支护完成后，围岩基本没有出现塑性变形区，二次衬砌后，作用在二衬上 的最大压应力为 1.85MPa，最大拉应力 0.74MPa，抗压安全系数 12.16，大于规范规定的 2.0 安全系数，最小抗拉安全系数为 2.97，略大于规范规定的 2.4 安全系数。这说明，竖 井所采取的支护是合理。
由于此模型采用三维建模技术，模型比较复杂，内力、弯矩、应力方向比较晦涩难 懂，为了下面阅读的方便，这里对这些力的方向及其关系简要作一介绍，见图 2-1、图 2-2。
图 2-1 板单元单位长度内力的输出位置和符号约定
6
图 2-2 板单元应力输出位置及符号约定
2.2 围岩参数
根据地质勘察报告，竖井上部的围岩为 V 级，其余地段为Ⅲ级，相应的围岩参数见
竖井连接处（三通），模型选取的尺寸为 50m* 70m* 88 *m。在建模过程中，充分考虑 了竖井的锚杆等初期支护作用，对于构造应力，模型中也予以考虑。构造应力按照资料 所提供的最大水平主应力 22.981MPa 并经过换算后得到。模型详见图 2-3，网格剖分图见 图 2-4。
8
50m 88m 70m
2.1 摩尔－库仑理论（M-C） ............................................................................................ 6 2.2 围岩参数........................................................................................................................ 7 2.3 喷混和二衬参数............................................................................................................ 8 2.4 模型的建立.................................................................................................................... 8 2.5 开挖步骤的模拟........................................................................................................ 10 3 施工过程模拟分析 ............................................................................................................... 10 3.1 竖井初期支护后结构分析........................................................................................... 10 3.1 竖井二次衬砌后支护后结构分析............................................................................... 19 3.2 风道初期支护后结构分析.......................................................................................... 28 3.3 风道二次衬砌后结构分析........................................................................................... 37 4 结论与建议 ......................................................................................................................... 46
46
目
录
1 计算模型概况.......................................................................................................................... 2 2 模型的建立............................................................................................................................ 6
图 1-1 1＃竖井与风道连接示意图
2
图 1-2 1＃竖井连接处结构图
3
图 1-3 竖井衬砌结构设计图
4
图 1-4 送风道衬砌结构设计图
图 1-5 排风道衬砌结构设计图 本次分析计算的目的是分析竖井与风道连接处的围岩受力状态，据以对各设计参数 进行复核，重现施工过程的真实围岩受力状况，并对施工过程进行指导。分析建模时采 用 MIDS/GTS 软件，MIDS/GTS 是针对岩土及隧道的结构分析与设计而开发的“岩土隧 道结构专用有限元分析软件”。是得到国内外专业技术人员公认的权威软件。
3 施工过程模拟分析
在竖井风道与竖井连接处（三通），由于其形状比较复杂，应力在此区域内会发生集 中现象。开挖的进尺大小，支护的及时性、刚度等都会对此处的应力产生影响。为此， 模型重点对竖井与风道连接处的内力、应力进行详细分析，并分别计算了井壁、风道的 不同受力方向的内力及应力，在分析计算时，按照初期支护完成后和二次衬砌完成后两 种情况分别计算。 3.1 竖井初期支护后结构分析
10
图 3-1 Fxx（轴力）
图 3-2 Fyy（轴力）
11
wk.baidu.com
图 3-3 Fxy（轴力）
图 3-4 Mxx（弯矩）
12
图 3-5 Myy（弯矩）
图 3-6 Vxx（剪力）
13
图 3-7 Vyy（剪力）
图 3-8 Sxx（Top 应力）
14
图 3-9 Sxx（Bot 应力）
图 3-10 Syy（top 应力）
（3）在排风道开挖后，竖井与风道的交叉口处均出现了拉应力过大的现象，此时最 大拉应力发生在三者的交叉口的底部，为 1.85MPa，没有达到其极限破坏强度 2.0MPa， 安全系数为 1.08，达不到规范要求，但是在设计中，对二衬进行了配筋，这说明采取配 筋补强的措施是合理的、也是可行的。
（4）综上，通过对施工过程的真实围岩受力状况的分析， 结果表明，目前采取的 支护参数是合理的。但是应当注意的是，在竖井与风道的交汇处，出现了比较大的应力 集中现象，这些地方均是施工应注意的薄弱环节，建议施工的开挖步长应适当的减小， 开挖后及时施工初期支护，特别是开挖风道的开始阶段，要对风道的拱顶采取及时的加 固措施，以防围岩掉块、塌方等灾害发生。