隧道不同支护结构数值模拟二.docx
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隧道不同支护结构数值模拟二
第七章Ⅲ级围岩隧道不同支护方式的效果分析
本章主要针对Ⅲ2级围岩三车道隧道下的不同支护方式效果进行分析，具体建立四个隧道轴向51米、埋深150m的模型：
平底隧道模型1、仰拱隧道模型2、平底隧道拱脚设条形基础模型3和平底隧道拱脚设支撑横梁模型4，对这四种情况进行数值模拟计算，具体研究以下几个方面的支护效果：
1.围岩位移场分析：
主要是竖向位移；
2.围岩应力场分析：
主要是竖向应力和水平应力；
3.围岩塑性区范围；
4.支护结构的内力：
锚杆轴力、二次衬砌的受力、梁结构受力。
7.1竖向位移分析
7.1.1平底隧道模型1和仰拱隧道模型2分析
隧道开挖支护过程在不同程度上不可避免地会对围岩产生不同程度的扰动和破坏，从而引起位移场的变化，因此，能够时刻了解围岩的变形情况对于保证施工安全、避免工程事故都具有重要的指导作用。
数值模拟研究中常常会把围岩变形情况作为判断围岩稳定性的重要依据。
本节给出围岩在不同支护措施（模型1和模型2）情况下隧道最终开挖支护完成后的目标断面横断面竖向位移云图，如图7.1所示。
（a）模型1横断面竖向位移云图（b）模型2横断面竖向位移云图
图7.1目标横断面竖向位移云图
由图7.1，不论是平底隧道还是仰拱隧道，洞室周边均表现为拱顶下沉，隧道底部突起，边墙向洞外扩散，并且仰拱隧道底部最大拱起值范围及其微小。
从整体来看，拱顶部位和隧道底部、拱脚处是施工的主要控制部位，必要时应进行局部防护。
图7.1（a）图目标断面y=23.5m处的最终竖向位移的最大沉降值发生在拱顶衬砌及以上部分围岩，最大值为-2.6706mm，隧道底部中心线附近的岩体产生了位移拱起，最大拱起值达到2.3172mm。
图7.1（b）图中显示的目标断面最终拱部衬砌及以上围岩竖向最大沉降值为-2.6718mm，底部围岩最大竖向拱起值为2.2605mm。
由此可知，仰拱与平底隧道相比，由于仰拱隧道整体性相对较好，其底部最大竖向拱起值减少2.5%，因此能够较好地抵抗隧道底部围岩的拱起变形；但是仰拱在抵抗隧道拱顶下沉变形的方面作用不太好，沉降值基本相同，说明仰拱的主要优势在于抑制底部受力变形。
7.1.2平底隧道加基础梁模型3和平底隧道加支撑横梁模型4分析
模型3平底加基础梁和模型4平底底部加支撑横梁，是在充分考虑仰拱隧道作用效果的基础上，想要节约成本，缩短工期而采用的新型的工程模型。
为比较两种模型的优缺点，特采用与模型1、2相同的开挖和支护步骤，以及相同的参数取值，具体参数取值见表7.2。
图7.2为模型3和模型4隧道最终目标断面处的竖向位移云图。
（a）模型3横断面竖向位移云图（b）模型4横断面竖向位移云图
图7.2目标断面竖向位移云图
由图7.2可见：
加基础梁模型3和加基础梁横梁模型4，洞室周边竖向位移分布规律基本和模型1一致，而且在隧道底部三个模型竖向位移扩散范围均比模型2要大些。
统计数据可知，图7.2（a）图中目标断面处最终的最大沉降值仍发生在拱顶衬砌及以上部分围岩，最大值为-2.6744mm；隧道底部中心线附近位移最大拱起值达到2.3188mm。
b）图中显示的目标断面最终拱部衬砌及以上围岩竖向最大沉降值为-2.6777mm；底部围岩最大竖向拱起值为2.3185mm。
7.1.3综合分析
综合7.1.1和7.1.2可以得到表7.1四个模型中典型竖向位移值表。
表7.1四个模型记录目标断面竖向位移最大值表（单位：
mm）
模型
1
2
2与1比
3
与1比
与2比
4
与1比
与2比
沉降值
-2.6706
-2.6718
-0.045%
-2.6744
-0.044%
-0.043%
-2.6777
-0.06%
-0.06%
拱起值
2.3172
2.2605
-2.5%
2.3188
-0.07%
0.071%
2.3185
-0.065%
0.06%
需要注意，表7.1中模型2与模型1比是指模型2相对与模型1的位移值比，如果百分比为正则表示模型2相比于模型1增大；如果百分比为负则表示模型2相比于模型1减小。
模型3，模型4类似。
由表7.1有：
在竖向沉降方面，四个模型基本一致。
在控制隧道底部拱起竖起方面，模型4也比模型3的作用效果要稍好一些，但不如仰拱模型2。
图7.3各模型目标断面竖向位移曲线图
由表7.1和图7.3可知：
五个模型在不同情况下的最大沉降值均接近于一条光滑的直线，最大拱起值基本也在一条水平线上。
说明模型3和模型4在竖向沉降方面的优势已经充分发挥。
7.2围岩应力分析
隧道开挖支护过程中，周围岩石会产生各个方向的应力，一般有竖向应力szz、水平应力sxx、剪切应力sxz、最大主应力smax、最小主应力smin等，本节中主要研究四个模型开挖支护完成后，目标断面的竖向和水平应力的变化和规律。
7.2.1平底隧道模型1和仰拱隧道模型2分析
（a）模型1横断面竖向应力云图（b）模型2横断面竖向应力云图
图7.4目标横断面竖向应力云图
由图7.4平底和仰拱隧道的竖向应力分布规律大致相同，拱腰到拱脚部位出现最大压应力，拱底中心线出现最大拉应力。
模型1平底隧道最大压应力-7.5607MPa，最大拉应力1.0510MPa；仰拱隧道最大压应力-7.5503MPa，比模型1变化不大，最大拉应力1.0505MPa，比模型1变化不大。
（a）模型1横断面水平应力云图（b）模型2横断面水平应力云图
图7.5目标断面横断面水平应力云图
图7.5（a）模型1水平应力云图，水平压应力的分布范围很广，水平压应力最大值-1.9120MPa，平底隧道只在底部中心出现拉应力，拉应力最大值238.13kPa；图b）为仰拱隧道的，与1相比，最大压应力分布范围很小，基本出现在隧道左右拱肩和拱脚处，但压应力最大值-1.9138MPa，比模型1基本相同；拉应力分布区域也与模型1有所不同，除了隧道底部外左右拱腰处也有，其最大值242.03kPa，比模型1增大0.02%。
7.2.2平底隧道加基础梁模型3和平底隧道加支撑横梁模型4分析
（a）模型3横断面竖向应力云图（b）模型4横断面竖向应力云图
图7.6目标横断面竖向应力云图
图7.6中模型3和模型4竖向应力与模型1基本一致，其目标断面处的最大竖向压、拉应力分别为-7.5708MPa、1.0925MPa。
模型4目标断面的最大竖向压、拉应力分别为-7.5750MPa、1.0985MPa。
两模型最大竖向压应力值虽然较模型1、2增大一些，但底部基本不受拉应力作用。
说明此处加基础梁和底部注浆的确发挥了梁的作用，效果也比较理想。
（a）模型3横断面水平应力云图（b）模型4横断面水平应力云图
图7.7目标横断面水平应力云图
图7.7中模型3和模型4竖向应力与模型1基本一致，其目标断面处的最大竖向压、拉应力分别为-1.9154MPa、226.5kPa。
模型4目标断面的最大竖向压、拉应力分别为-1.9156MPa、2.2069MPa。
7.2.3综合分析
表7.2四个模型记录典型应力值表
模型
目标断面竖向应力（MPa）
目标断面水平应力（MPa）
最大压应力
最大拉应力
最大压应力
最大拉应力
1
-7.5607
1.0510
-1.9120
0.2381
2
-7.5503
1.0505
-1.9138
0.2420
3
-7.5708
1.0925
-1.9154
0.2265
4
-7.5750
1.0985
-1.9156
0.2207
由表7.2五个模型中典型围岩应力值表，结合图7.8各模型最大拉应力处于一条光滑直线上且接近于1，说明三级围岩自承能力较好，各种支护方式对它的影响不大。
结合图7.9有，在水平拉应力方面也是近乎于一条光滑直线，各种支护方式影响不大。
图7.8各模型断面竖向应力曲线图图7.9各模型断面水平应力曲线
7.3塑性区范围
塑性区表示可能发生破坏的区域范围，是应力符合屈服准则的区域。
在用FLAC3D软件模拟时，常常采用plotblockstate。
一般来说，围岩塑性区有一个发生、发展、稳定的过程，稳定后的塑性区范围与围岩位移一样，是围岩应力状态和岩体强度关系的反映，是地应力和围岩强度的综合指标。
图7.10、图7.11反映了在不同支护条件下，围岩塑性区大致分布情况。
塑性区标识是用不同的颜色来显示区分的。
这两种类型的破坏机制是拉伸破坏（tensilefailure）和剪切破坏（shearfailure）：
shear-now表示当前处于剪切破坏；shear-past表示过去处于剪切破坏；tension-now表示当前处于张拉破坏；tensionr-past表示过去处于张拉破坏。
（简写：
n-表示现状态，p-表示过去状态）。
7.3.1平底隧道模型1和仰拱隧道模型2分析
（a）模型1最终开挖步塑性区图（b）模型2最终开挖步塑性区图
图7.10模型1和模型2最终开挖的塑性区范围图
由图7.10模型1和模型2所出现的塑性区主要集中在拱脚部分以及隧道的顶部围岩区域，这主要是由于二次衬砌结构采用弹性模型，围岩采用霍克布朗模型且岩体强度较高的原因，并且三级围岩要比四级围岩自承能力好很多。
塑性区自然也就少。
另外，隧道并未见正处于剪切和拉伸破坏区域，隧道内部基本都已稳定；而平底隧道上部塑性区域明显大，说明仰拱隧道由于其施工时整体性相对较好，除边缘受外界环境影响外，其塑性区范围较少。
从图7.10（a）可以知道，待隧道全部开挖支护结束后，塑性区基本稳定，周围岩体处于弹性状态的塑性单元数相对较多。
模型1最终统计的塑性单元总体积为22.12m3/m，图7.10（b）模型2最终统计的塑性单元总体积为19.67m3/m。
7.3.2平底隧道加基础梁模型3和平底隧道加支撑横梁模型4分析
由图7.11（a）可知，隧道拱部二次衬砌部分全部已经稳定，隧道底部开挖17m以后部分区域仍处于剪切破坏状态，而且与模型1和模型2相比底部拱脚及以下围岩部位塑性区范围显著减少，说明在隧道底部每隔3m施加一根基础梁可以抑制或者减少底部围岩变形与破坏的发生。
模型3最终统计的塑性单元总体积为19.92m3/m。
图7.11（b）隧道底部加支撑横梁，虽然会使得拱脚部位应力集中现象明显，但是由于其弹性模量的提高，围岩塑性区或曾经进入塑性阶段的区域比平底隧道明显减少，在底部一部份存在塑性区。
模型4最终统计的塑性单元总体积为19.72m3/m。
（a）模型3最终开挖步塑性区图（b）模型4最终开挖步塑性区图
图7.11模型3和模型4最终开挖的塑性区范围图
7.3.3综合分析
表7.3开挖结束后的塑性单元总体积表（每延米）（单位：
m3/m）
模型
shear-now
tension-now
shear
past
tension
past
volumeofplasticzones
1
0.16
21.96
0
0
22.12
2
0.11
19.56
0
0
19.67
与1比降率
-31.25%
-10.93%
0
0
-11.07%
3
0.14
19.78
0
0
19.92
与1比降率
-12.5%
-9.93℅
0
0
-9.95℅
与2比降率
27.27%
1.12%
0
0
1.27%
4
0.06
19.66
0
0
19.72
与1比降率
-62.5%
-10.47%
0
0
-10.85%
与2比降率
-45.45%
0.51%
0
0
0.25%
表7.3中与1比降率是指模型2、3、4、相对于模型1产生的塑性区单元总体积的降低率，与2比降率是指模型3、模型4相对于模型2产生的塑性区单元总体积的降低率。
根据表7.3模型4和模型3塑性区体积与仰拱相差不大，说明平底加基础梁和横梁的设置是可以减少围岩塑性区的范围，增强其整体稳定性。
模型3和模型4塑性区体积比模型2略大，但是变化不大，说明设置基础梁、基础梁和横梁均能够达到取消仰拱，增强围岩稳定性，并减小塑性区范围的作用。
7.4锚杆轴力
7.4.1平底模型1和仰拱模型2分析
通过plotselcableforce命令，得到模型开挖支护完成后的锚杆轴力图如图7.12所示。
（a）模型1开挖完成后锚杆受力图（b）模型2开挖完成后锚杆受力图
图7.12各模型开挖完成后锚杆受力图
直观来讲，锚杆的轴力值可以很好的反映锚杆支护的作用效应。
不同模型下的锚杆轴力是略有不同的，其监控点布设在断面的拱顶、拱肩、左右拱腰及拱脚,并对其逐一编号，分别为D、C、E、B、F、A、G点，见图7.13。
锚杆轴力数值模拟结果见表7.4
图7.13锚杆轴力监测点布置图
表7.4模型1各关键点锚杆轴力（单位：
KN）
关键点
A
B
C
D
E
F
G
轴力值
6.132
6.359
6.334
6.190
6.334
6.359
6.132
表7.5模型2各关键点锚杆轴力（单位：
KN）
关键点
A
B
C
D
E
F
G
轴力值
6.132
6.353
6.343
6.189
6.343
6.353
6.132
图7.14隧道关键点处锚杆轴力变化曲线
从表7.4、7.5及图7.14：
模型1和模型2在关键点处的锚杆均受拉，并且由于三级围岩较完整，所以各处锚杆受力变化不大。
隧道断面各关键点处总体上基本呈现拱腰处最大，拱顶次之，拱脚处最小。
其中，锚杆轴力值在拱顶、拱肩处相差不大。
因此，工程上有时可将拱脚处锚杆除去，采用对部分围岩进行局部锚杆支护的方法。
这样既不会破坏隧道整体结构的安全性，又可以充分发挥围岩的自撑能力，节省材料，缩减工序，加快施工进度。
7.4.2平底隧道加基础梁模型3和平底隧道加支撑横梁模型4分析
模型3和模型4开挖支护完成后的锚杆轴力图如下7.15所示。
a）模型3b）模型4
图7.15各模型开挖完成后锚杆受力图
模型3和模型4的锚杆轴力数值模拟结果见表7.6。
表7.6模型3各关键点锚杆轴力（单位：
KN）
关键点
A
B
C
D
E
F
G
轴力值
6.132
6.333
6.327
6.177
6.327
6.333
6.132
表7.7模型4各关键点锚杆轴力（单位：
KN）
关键点
A
B
C
D
E
F
G
轴力值
6.105
6.340
6.334
6.187
6.334
6.334
6.157
图7.16隧道关键点处锚杆轴力变化曲线
从表7.6、7.7及图7.16可知：
模型3、4在关键点处的锚杆均受拉。
拱腰处最大，模型3锚杆轴力最大值位于拱腰，为9.313KN，模型4锚杆轴力最大值为拱腰。
隧道断面各关键点处仍符合：
拱腰处最大，拱顶次之，拱脚处最小的分布规律。
其中，锚杆轴力值在拱顶、拱肩处相差不大。
7.4.3综合分析
图7.17隧道各关键点锚杆轴力变化曲线图
曲线7.17可得，锚杆轴力最大值分布规律大致相同，均为拱腰最大，拱肩、拱顶次之，拱脚最小。
由于锚杆打入围岩内部主要起悬吊作用，因此五个模型均整体受拉。
模型1、模型2和模型3锚杆轴力在关键点处分布一致，相差非常接近，差值控制在1%左右；且明显可以看出锚杆轴力最大值分布规律为：
拱脚、拱腰处最大，拱肩次之，拱顶处最小的分布规律。
7.5二次衬砌
按照现代支护理论和新奥法的施工原则，在围岩和初期支护基本稳定以后常施作二次衬砌。
本文主要分析在隧道开挖支护完成以后，二次衬砌结构的施加对各模型竖向应力和竖向位移的影响。
7.5.1衬砌竖向位移
（a）模型1最终衬砌竖向位移图（b）模型2最终衬砌竖向位移图
（c）模型3最终衬砌竖向位移图（d）模型4最终衬砌竖向位移图
图7.18各模型中衬砌的竖向位移云图
从图7.18可以看出，隧道衬砌顶部竖向沉降值最大，竖向位移从隧道顶部到底部沿着边缘深度递减，最后出现正值。
从竖向位移曲线7.19上看：
各模型竖向最大沉降值基本无变化。
五个模型中，模型2的位移拱起值最小，为2.2613mm，比模型1减小2.5%，比模型3、模型4减小2.4%左右；位移下沉值最小的是模型1，为-2.6875mm，它比模型2、模型3、模型4相比基本无变化。
图7.19各模型二次衬砌最大竖向位移曲线
7.5.2二次衬砌竖向应力
（a）模型1最终衬砌竖向应力图（b）模型2最终衬砌竖向应力图
（c）模型3最终衬砌竖向应力图（d）模型4最终衬砌竖向应力图
图7.20各模型中衬砌的竖向应力云图
图7.20反映出：
五个模型中二次衬砌的竖向应力分布情况大致相同，拱腰到拱脚部位出现最大压应力，隧道底部中心线附近出现最大拉应力。
图7.21各模型二次衬砌最大竖向应力曲线
图7.21所有模型的最大竖向压应力和拉应力值基本一样，两者反映在曲线图上近似是一条平滑的直线，说明四种模型二次衬砌在竖向应力方面发挥相同的作用。
模型2、模型3、模型4和模型1二衬所受的压应力和拉应力非常接近，相差非常小。
模型1所受最大压应力值为-3.9700MPa，模型1所受最大拉应力值为2.2506Mpa。
二次衬砌作为安全储备结构，受力应该越小越好，因此单独分析二衬所有拉应力，模型3、模型4与仰拱隧道和不加任何梁支护的平底隧道基本相同。
7.6梁结构变形和受力
（a）模型3条形基础受力图（b）模型4条形基础加横梁受力图
图7.22模型5结构受力图
本文用selbeam命令创建了具有两个简单梁结构的隧道来模拟工程中的横梁和基础梁支柱。
其中模型3为平底隧道底部加条形基础梁，模型4为平底隧道底部加基础梁和横梁，模型中梁结构受力如表7.8所示。
表7.8模型3和模型4中梁结构受力变形值表
模型
剪力最大值（N）
弯矩值（N·m）
fx
fy
fz
Mx
My
Mz
3
0
0
4.281e+002
0
0
1.284e-003
4
0
0
8.022e+002
0
0
1.106e-002
由表7.8可知，在整个开挖支护过程中，模型3和模型4中x方向的弯矩为0，由于模型是轴对称受力；模型4所有受力都比模型3小，说明模型4比模型3能够更好的调整围岩应力分配。
单就梁结构而言，模型4比模型3相对稳定，对围岩的支护作用较好。
7.7本章小结
本章以FLAC3D有限差分软件为依托，对Ⅲ2级围岩情况下的平底隧道（模型1）、仰拱隧道（模型2）、平底隧道拱脚加基础底梁（模型3）和平底隧道拱脚加支撑横梁（模型4），这四种隧道底部支护形式进行了大量的数值模拟和研究。
通过分析比较隧道开挖支护过程结束后目标断面的围岩竖向位移、围岩最大最小主应力特点、塑性区范围和二次衬砌受力变形这四个方面，得到如下结论：
1.竖向位移方面
Ⅲ2级围岩三车道隧道设置仰拱对隧道的竖向位移影响不大，对拱顶沉降的作用很小。
从4种模型分析来看，平底隧道和仰拱隧道的拱顶沉降值相差不足1%，对拱底隆起有一定的作用，设置仰拱后拱底隆起值明显降低，比平底隧道降低2.5%左右，都低于10%，说明仰拱的主要优势在于抑制底部变形；模型4的支护效果综合优于其他三个模型；在竖向拱起方面，模型4也比模型3的作用效果要稍好一些，但不如仰拱模型2。
因此从竖向位移来分析，Ⅲ2级围岩三车道隧道可以采用平底隧道代替仰拱隧道的形式。
2.围岩最大最小主应力情况
Ⅲ2级围岩无论平底隧道还是设置仰拱隧道，四种模型下的围岩的最大主应力都为拉应力，且拉应力值都很小且都集中在拱底处。
平底隧道的拉应力值比仰拱隧道的应力稍大，不足1%且平底隧道的压应力值要比仰拱隧道的压应力值小。
各模型最大竖向应力无明显差异均处于一条光滑直线上且接近于1，说明三级围岩自承能力较好，各种支护方式对它的影响不大。
反而仰拱受最大水平压应力要大于平底隧道，这可能是仰拱隧道采用C30的混凝土圈材料造成的。
3.塑性区范围
塑性区伴随隧道的开挖支护有一个发生、发展、稳定的过程。
对于Ⅲ2级围岩三车道隧道受开挖影响的塑性区体积来讲，设置仰拱有明显的优势，塑形区范围降低了11%左右，而模型3和模型4也刚好在10%左右，都在误差范围之内。
从这四种模型分析来看，就塑性区体积而言，设置基础梁、基础梁和横梁均能够达到取消仰拱，增强围岩稳定性，并减小塑性区范围的作用。
Ⅲ2级围岩三车道隧道可以不设仰拱。
4.二次衬砌受力变形状态分析
二衬的竖向位移和围岩的竖向位移分布规律一致，拱顶沉降，拱底隆起，无论是平底隧道还是仰拱隧道，其顶部的沉降和底部的隆起值都非常小，符合二衬作为安全储备的要求。
四个模型的二衬最大沉位移值基本无变化，模型2的二衬位移拱起值最小，模型1最大，模型3和4介于模型1和2之间。
故从二衬的位移和应力角度分析，Ⅲ2级围岩三车道隧道可以采用平底隧道代替仰拱隧道的形式；
综上所述：
对于Ⅲ2级围岩三车道隧道，从隧道围岩变形、应力分布和塑性区范围以及二次衬砌的受力变形分析来看，可以考虑取消隧道仰拱设置，采用平底隧道也可以很好地控制隧道围岩的变形，保证隧道的稳定性。
但对于隧道上部是Ⅲ2级围岩，而隧道底部围岩较差（低于Ⅲ2级）不能直接取消仰拱而不采取其他措施。
建议采用平底隧道加基础梁支护结构对平底隧道进行优化从而替代仰拱以保证隧道的长期稳定。
同时，减少隧道施工时间，节约隧道建设成本。
第八章结论及展望
8.1结论
本文主要对隧道底部动态围岩分级及支护体系进行研究，针对河北省茅荆坝（蒙冀界）至承德公路Ⅳ2级围岩两车道、Ⅲ2级围岩三车道符合一定条件的隧道取消仰拱的可行性，或采用隧道底部加基础梁、隧道底部锚杆注浆和隧道底部加横梁等支护结构替代有仰拱的衬砌断面形式的可行性。
这需要对隧道开挖过程及运营后围岩及支护结构的受力、变形进行监测分析，积累工程经验和工程实例，为《公路隧道设计规范》（JTGD70）的修订提供理论依据和工程案例。
通过对承赤高速17座隧道，83个断面的动态施工勘测和围岩分级（勘测时间自2011年8月30日，至2013年4月20日），以及对十六标钓鱼台3号隧道8个断面和五标南沟隧道12个断面，总共监测20个断面的所测数据的分析（监测时间自20121年5月19日，至2014年12月24日，共计32个月），得出以下结论:
本文对河北省茅荆坝（蒙冀界）至承德公路隧道详细设计勘察报告中涉及的
、
级围岩，进行施工勘探，统计分析国内外隧道围岩分级采用的指标，调研了国内近几年公路隧道勘察设计中采用的围岩分级指标，参考行业推荐标准《公路隧道设计细则》（JTG-TD70）提出的施工阶段围岩亚级分级标准，确定了承赤高速公路隧道围岩亚级动态分级指标获取指标的方法。
岩石坚硬程度采用现场点荷载试验定量确定，岩体完整程度采用采用岩面声波测试法定量确定，结构面状态现场统计测试，地下水和围岩初始应力采用定性方法现场观察确定。
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