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1、岩土工程界第11卷第12期地下工程黄土隧道初期支护结构受力特性研究姜久纯(中铁第一勘察设计院集团有限公司)摘要为研究黄土隧道初期支护结构受力特性,对刘家坪3号隧道的初期支护结构进行受力监测,监测项目包括钢架应力和喷射混凝土应力。监测结果表明喷射混凝土应力均为压应力,且分布不均。格栅拱架内、外侧均为压应力,分布不均。采用有限元分析软件对隧道施工过程进行了数值模拟分析,计算结果和实测结果较为一致。关键词隧道工程黄土隧道初期支护受力特性有限元分析随着西部大开发战略的实施,西部的高等级公留核心土环形开挖法,如图1所示),故元
2、件埋设和[3~6]路得到了飞速的发展。西部地区黄土分布广泛,公监测也是分步进行的。测试原件布置见图2。路建设过程中出现了大量的黄土隧道。尽管目前已修建了不少的公路、铁路隧道,但在黄土隧道的设计与施工中,一般采用类比法,针对黄土隧道仍没有一套比较成熟的设计理论与施工经验,现行规范对于黄土隧道的设计和施工未做出相应的规定或规定过于保守,这就导致在设计和施工中不可避免的出现一些设计缺陷和施工事故,严重威胁人员安全,甚至造成巨大经济损失。如在施工中易出现支护变形过大、支护开裂甚至塌方等工程事故。因此很有必要对黄土隧道的支护受
3、力特性以及合理的结构型式等方面进行综合的研究,以科学地指导黄土隧道的设[1,2]计与施工,使之更有效地为社会的发展服务。1工程概况刘家坪3号隧道位于国道主干线GZ(35)青岛至银川陕西境吴堡至子洲高速公路第十四合同段,隧道左线全长103m,右线全长187m,为双洞四车道隧道。隧址区地貌形态属黄土梁茆区的茆状斜梁。洞身段为⑵类围岩,土层为离石组老黄土,土质较均匀,结构紧密,中部夹含多层棕红色古土壤层和少量3监测结果与分析钙质结合,呈块状整体结构,柱状节理发育。经过长期观测,取得了大量的量测数据,且各项数据已稳定,对数据
4、进行整理分析,总结如下。2监测内容及方案311喷射混凝土应力根据刘家坪3号隧道的地质条件和工程条件,喷射混凝土应力监测结果见应力分布图3及应选择了1个断面进行支护结构受力的监测,隧道埋力时态曲线图4。(单位:MPa/+0为受压,/-0为深约44m。测试内容包括喷射混凝土应力和格栅拱受拉)架应力,测试元件采用钢弦式应变计,以满足长期稳从监测结果图可以看出,喷射混凝土应力分布定的测试要求。该隧道采用分部开挖法施工(拱部不均,最大应力发生在左拱腰30b处,其应力值为1收稿日期22008-4-1437地下工程GEOTECHN
5、ICALENGINEERINGWORLDVOL.11No.12712MPa。左右拱腰30b处的应力相对其他位置较大,喷射混凝土应力分布呈较为明显的/猫耳[7]形0。从应力时态曲线可知,喷射混凝土应力初期增长较快,且应力增长趋势有较强的规律性,二次衬施作后,应力有所减小,并迅速稳定,说明二次衬砌承担了一部分荷载。312格栅拱架应力格栅拱架应力监测结果见应力分布图5、图6及应力时态曲线图7、图8。(单位:MPa/+0为受压,/-0为受拉)从拱架应力分布图来看,格栅拱架内、外侧均为压应力,分布不均,格栅左侧受力较右侧大,拱
6、部的4隧道施工过程的数值模拟分析应力值较大,边墙处较小。拱架内、外侧最大应力值为更好地研究黄土隧道初期支护受力特性,同均发生在左拱腰60b处,应力值分别为91179MPa和时也为实测数据提供理论计算依据,采用MIDAS/98199MPa。从应力时态曲线可以看出,格栅拱架应GTS有限元分析软件对隧道的实际施工过程进行二力与喷射混凝土应力变化趋势较为一致,格栅拱架维平面数值模拟,喷射混凝土厚度为25cm,用工字应力在初期增长较快,应力变化呈现出较强的规律钢代替原设计的格栅拱架进行计算。计算模型主要性,在二次衬砌施作后,应
7、力有所减小,并迅速稳定,参数见表1。计算结果见图9、10。也说明了二次衬砌承担了一部分荷载。表1计算模型参数弹性模量泊松比容重粘聚力摩擦角材料类别E/MPaLC/kN#m-3C/MPaU/b新黄土23013132125老黄土85013183230二衬混凝土2950001223--喷射混凝土2300001222--钢架21000001277--从图9、10可以看出,两种模型喷射混凝土和钢图5拱架内侧应力分布图图架受力均为压应力,应力分布形式相同,拱腰部位受(下转第41页)38岩土工程界第11卷第12期边坡工程土板的抗滑
8、稳定与抗倾覆稳定。配筋比较小。也很低,是一种值得推广和借鉴的挡土墙结构形式。本工程由于减压平台的作用,结构受力合理,挡参考文献土板受力比一般的悬臂梁合理,故仅厚300,配筋也[1]中华人民共和国建设部.建筑地基基础设计规范(GB50007-不大。工程施工图经预算,5m高的挡土墙钢筋混凝2002)[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.3[2
