加筋喷混凝土拱肋支护效应的数值模拟.pdf

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 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 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 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 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 ， 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 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 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 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 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 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 c h a o ，e t a 1 S i mu l a t i o n o f S u r r o u n d i n g Ro c k S t a b i l i t y o f Un d e r g r o u n d C h a mb e r s u n d e r D i f f e r e n t S u p p o a S c h e d u l e s J E n g i n e e r i n g J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y ， 2 0 0 8 ， 4 1 ( 4 ) ： 2 9 3 3 ( i n C h i n e s e ) ) 1 1 李 映 隧道喷锚支护结构承载作用机理及应用研究 D 南京： 南京理工大学， 2 0 0 9 ( L I Y i n g L o a d B e a r i ng Me c h a ni s m a nd App l i c a t i o n Re s e a r c h o f Sh o t c r e t e L i n i n g a n d R o c k B o l t s i n T u n n e l D N a n j i n g ： N a n j i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，2 0 0 9 ( i n C h i n e s e ) ) 1 2 陈育 民， 徐鼎 平F L A C F L A C 3 D基础 与工程实例 M 北京 ： 中国水 利水 电出版社 ， 2 0 0 9 ： 14 0 0 ( C H E N Y u ra i n ，X U D i n g p i n g F L A C F L A C 3 D F o u n d a t i o n a n d E n g i n e e ri n g E x a m p l e s M B e i j i n g ：C h i n a Wa t e r P o w e r P r e s s 2 0 0 9 ： 1 4 0 0 ( i n C h i n e s e ) ) ( 编辑 ： 王慰 ) Nu m e r i c a l An a l y s i s o f S u p p o r t i n g Effe c t s o f t h e Re i n f o r c e d Ri b s o f S p r a y e d Co n c r e t e L I J i n s h a n ，Q I N We i - x i n g ， S H E N G S o n g t a o ， L I H e f S c h 。 o 1 。 f H y d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， C h a n g s h a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n 。 l o g y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 0 4 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e r e i n f 0 r c e d r i b s o f s p r a y e d c o n c r e t e ( R R S )i n t h e N o r w e g i a n M e t h o d o f T u n n e l i n g h a s b e e n p r o v e d t o b e a n e c o no mi c a 1 a nd e f fic i e n t s u pp o r t i n g s t r u c t u r e f o r t he we a k s u r r o u nd i ng r o c k e n g i ne e rin g i n Ch i na a n d a b r o a d Th e we a k z o ne i n t h e F i n n f a s t s u b s e a t u nn e l i n No r wa y wa s t a ke n a s a c a s e s t u d y t o d e mo n s t r a t e t h e s u p p o r t i n g e f e c t s o f R R S o n w e a k s u r r o u n d i n g r o c k I n v i e w o f t h e Q s y s t e m for t h e c l a s s i fi c a t i o n o f s u r r o u n d i n g r o c k q u a l i t y ， f i n i t e d i lf e I le n c e me t h 0 d w a s e mp l o y e d t o c o mp a r e t h e d e f o r ma t i o n，t h e s t r e s s d i s t ri b u t i o n，a n d t h e y i e l d v o l u me o f s u n _0 u n d i n g I _0 c k i n t h e p r e s e n c e a n d i n t h e a b s e n c e o f R RS T h e r e s u l t s s h o w t h a t RRS h a s g o o d s u p p o r t i n g e f f e c t s o n we a k s u rro u nd i n g r o c k Ke v wo r d s ： we a k s u rro n d i n g r o c k；r e i n f o r c e d ri b s o f s p r a y e d c o n c r e t e ；s u p p o r t i n g e f f e c t s ；n u me ri c a l s i mu l a t i o n 客 盒 ( 上接第 6 8页 ) n e c e s s a r v f b r a r c h c a n t i l e v e r me t ho d i n a r c h s t r e s s a na l y s i s Da m fou n d a t i o n i s c o mpo s e d o f d i f f e r e n t l i t h o l o g y r o c k ma s s e swh i c h s h o ws s i g n i fic a n t me c h a n i c a l a n i s o t r o p y，i n h o mo g e n e i t y a nd d i s c o n t i n u i t yAn y r o c k d e f o r ma t i o n p a r a me t e r t 0 r e D 1 a c e t h e wh o l e de f o rm a t i o n p a r a me t e r s o r a s i mp l e a v e r a g i n g o f a l l d e f o r ma t i o n p a r a me t e r s i s u n r e a s o n a b l e I n t h e p r e s e n t p a p e r we p r e s e n t a 3 - 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