胡謀鵬

中國石油天然氣管道工程有限公司

 

 

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

關鍵詞：天然氣管道；隧道；支護結構；地層結構法； MIDAS/GTS

 

 

 

地下結構的設計計算方法主要有荷載結構法和地層結構法。地層結構法計算方法簡單，工作量小，具有明確的安全系數評價方法，但由于未考慮圍巖的自承能力，設計結果較保守。但其更適用于地下結構的實際情況，據此，分別對Ⅳ級圍巖及Ⅴ級圍巖一般段支護結構進行計算分析。

1 數值模擬的前處理

1.1 計算模型

基于MIDAS/GTS完成計算分析。隧道屬于細長型結構物，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，可以采用平面應變模型進行力學分析。計算不考慮空間效應，采用二維平面計算模型，所有材料均為均質、連續(xù)、各向同性，初始應力場由自重應力生成，不考慮構造應力，地層的應力/應變在彈塑性范圍內變化，依據摩爾—庫倫強度準則，結構材料采用線彈性本構關系。

地層采用平面應變單元模擬，支護結構中的鋼架（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體現超前支護對圍巖的預加固效果。計算不考慮鋼筋網的支護作用，將其作為安全儲備。

1.2 初始地應力模擬

巖體初始地應力由自重應力和構造應力組成。通過水平側壓力系數法計算得到的應力狀態(tài)設定為初始應力狀態(tài)。水平側壓力系數K0，初始應力σν，水平應力計算式為σh＝K0σν。

1.3 荷載確定

采用地層結構法計算時，通過設置荷載釋放系數來控制隧道的受力，將地應力按照工況分成幾部分逐步釋放，以使圍巖和支護結構能按較合理的分擔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的應力和位移變化，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置。計算時施加的邊界條件是：模型兩側邊界約束水平方向的位移、底部邊界約束豎向位移。

2 隧道支護參數與施工方案

天然氣管道工程隧道設計施工遵循新奧法原理，隧道支護參數根據隧道的圍巖和埋深情況設置。

Ⅳ級圍巖段支護參數為：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 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級圍巖段支護結構計算

3.1 計算模型的建立及參數選取

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6 359個，節(jié)點總數為6 213個，計算模型總體網格和細部網格劃分如圖 1所示。釋放荷載分擔比例為：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%。隧道圍巖及支護結構力學參數取值見表 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。可以看出，隧道拱頂位置沉降量最大，為0.72 mm，隧底出現較大底鼓現象，最大底鼓量為 1.02 mm，水平位移（凈空方向）最大值出現在隧道左右側邊墻中部，均約為0.39 mm。總體來看，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，兩側拱腰位置錨桿受力最小，最大軸向拉力約為6.6 kN，應力值為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 噴射混凝土內力

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

                

4 Ⅴ級圍巖一般段支護結構計算

4.1 計算模型的建立及參數選取

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6 457個，節(jié)點總數為6 074個，計算模型總體網格和細部網格劃分如圖 7所示。釋放荷載分擔比例為：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%。隧道圍巖及支護結構力學參數取值見表 2。

隧道施工模擬依次為：初始應力狀態(tài)模擬；全斷面開挖模擬；全斷面施作第一層噴錨支護結構（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。可以看出，隧道拱頂位置沉降量最大，為1.05 mm，隧底出現較大底鼓現象，最大底鼓量為1.69 mm，水平位移（凈空方向）最大值出現在隧道左右側邊墻中部，均約為1.26 mm。總體來看，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。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，拱部錨桿受力較小，最大軸力約為36.5 kN，應力值為96.1 MPa，小于錨桿的屈服強度340 MPa。

4.2.3 噴射混凝土內力

模擬的噴射混凝土第一主應力和第三主應力分布分別如圖 11和圖 12所示。可以看出，整個隧道斷面邊墻內側噴射混凝土第一主應力較大，最大值為 0.05 MPa，滿足C30噴射混凝土抗拉設計強度1.5 MPa的要求；邊墻部位外側噴射混凝土第三主應力較大，最大值為﹣2.96 MPa，滿足C30噴射混凝土抗壓設計強度15 MPa的要求。

                

5 結論及建議

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

（2）計算參數按照一般值選取，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，盡管計算結果顯示圍巖位移及支護受力均較小，施工中還應重視監(jiān)控測量工作，必要時應對圍巖位移及支護結構內力進行全面監(jiān)測，了解隧道變形及受力情況，進行反饋設計，以確保隧道的建設更加安全、經濟。

 

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