水工隧洞支护特性研究

第３１卷第５期　２０ｌ０年１０月　华北水利水　电学　院学报　Ｖｏ１．３１　ＮＯ．５　０ｃｔ．２０ｌＯ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　文章编号：１００２—５６３４（２０１０）０５—０１１８—０４　水工隧洞支护特性研究　孙常新　，高　峰　（１．重庆交通大学，重庆４０００７４；２．华北水利水电学院，河南郑州４５００１１）　摘　要：以某水Ｔ隧洞为工程背景，采用Ｄ—Ｐ屈服准则，考虑了水应力的影响范围，利用ＡＮＳＹＳ软件进行了　水二『＝隧洞三维弹塑性有限元计算分析．分别研究了衬砌支护材料的选择对隧洞稳定性的影响、开挖过程和应　力旋转对支护时机选择的影响．计算结果表明：随着衬砌支护材料弹性模量的提高，隧洞顶部和底部分别有　上弹和下沉的趋势，隧洞的稳定性有所提高；隧洞的开挖步骤和应力旋转对衬砌支护施做时机的选择有重要　影响．　关键词：水工隧洞；三维开挖模拟；应力旋转；支护材料性质；支护时机　中图分类号：ＴＶ６７２　．１　文献标志码：Ａ　目前，重大水利工程项目中各类水工隧洞建设　径向距离；０为极角；Ｋ　为侧压力系数．水工隧洞除　日益增多，它们的共同特点是施工规模大、范围广、　周期长、过程复杂　．由于施工过程中情况多变，作　用在其支护结构上的荷载是随时间和围岩性质逐步　变化的，支护形式和施加支护时间的选择是一个关　了要承受重分布应力外，还要受到内水压力作用，根　据以往经验可知，在３倍洞直径处，内水压力引起的　附加应力已经很小了，可认为内水压力均匀地施加　在３倍洞直径范围内的围岩上．常用Ｄｒｕｃｋｅｒ—Ｐｒａｇ．　ｅｒ屈服准则作为围岩材料的屈服准则　：　键问题，但这类问题在理论和应用方面的研究仍然　还十分薄弱，该类问题的研究很有必要　．　ｆ＝ｏＬｌｌ＋√ｊ　２一ｋ：０．　Ｄ—Ｐ模型屈服强度随着侧限压力（静水压力）　１　基本原理　为了计算方便，可以近似地按照圆形洞室来计　算，根据弹性理论围岩中的径向应力ｏｒ，、切向应力　以及剪切应力　计算　，　］　：—的增加而相应增加，其塑性行为被假定为理想弹塑　性．在模拟岩体的弹塑性性质时，这种屈服条件得到　广泛应用．　按照Ｋｉｅｒｓｃｈ公式进行　２计算分析　计算中参考某水工隧洞的具体参数，采用马蹄　形断面，跨度５．３６　ｍ，水工隧洞水底面以下埋深　１２　Ｉｎ，河流水位１０　ｉｎ．计算区域为：高５０　ｍ，宽６０　ｍ，　纵向长度５０　１ＴＩ．采用三维计算模型，计算边界条件　ｑ）　｝ｃｐ＋　（　一　２）＋—｝ｃｐ一　（－一４　＋　吾）ｃ。ｓ２　，　ｑ）　＋３　ｏ）１ｃ。ｓ２０．　ｆ　，　为：上部自由，承受静止水压力，下部铰接，两侧法向　约束．采用的有限元网格如图１所示　．　式中：ｑ：Ｋ０Ｐ；ｒ０为洞室半径；ｒ为中心至计算点的　收稿日期：２０１０—０８—１０　基金项目：华北水利水电学院２００９年度青年科研基金项目（ＨＳＱＪ２００９０１３）；国家自然科学基金项目（５０６７８０７７）；重庆市自然　科学基金项目（ＣＳＴＣ，２００８ＢＢ６０６６）；重庆交通大学人才基金项目．　作者简介：孙常新（１９８０一），男，河南鹤壁人，讲师，在读博士研究生，主要从事岩土及地下工程方面的研究．　第３１卷第５期　孙常新，等：　水ｌＴ隧洞支护特性研究　１１９　、　图２计算区域示意图　２．１　支护材料特性的选择　隧洞开挖后要进行应力重分布，施加衬砌支护　后将有一部分应力施加到衬砌支护上，支护材料弹　性模量的大小在一定意义上决定了支护结构上分担　力的多少，并最终决定开挖隧洞的稳定性，故支护材　料弹性模量的选择具有决定性作用．计算中模拟了　隧洞衬砌材料的弹性模量Ｅ对隧洞结构的受力和　变形的影响，其中选取衬砌材料时考虑了其弹性模　量　的变化，采用了１．０，１．５，２．０，２．５，３．０，３．５，　４．０，４．５，５．０，５．５　ＧＰａ等１０个数值，计算时分成１　１　个计算步计算：第１步为自重应力场求解，第２步为　隧洞开挖并施加衬砌支护求解，第３—１１步为采用　不同的衬砌材料（Ｅ不同）时的计算结果．采用各向　均匀的静止水压力，水压力随着隧洞的开挖逐步地　施加．　２．１．１　隧洞结构竖向位移随衬砌材料性质的变化　这里给出的是隧洞顶部中心部位Ａ点和底部　中心部位　点处的数值．从图３中可以看出：①隧　洞结构顶部的竖向位移在施加支护后有一个上弹　量，位移值随着隧洞衬砌材料的弹性模量Ｅ的增加　而减小，当隧洞衬砌材料的弹性模量Ｅ在１．０～　５．５　ＧＰａ范围内变化时，顶部中心处的竖向相对位移　在６　ｍｍ范围内变化；②隧洞结构底部的竖向位移在　施加支护后有一个下降量，位移值随着隧洞衬砌材　料的弹性模量Ｅ的增加而增大，当隧洞衬砌材料的　弹性模量Ｅ在１．０～５．５　ＧＰａ范围内变化时，底部中　心部位的竖向相对位移在３　ｍｍ范围内变化；③随　着隧洞衬砌材料的弹性模量Ｅ的增加，隧洞顶部竖　向位移有上弹趋势，底部有下沉趋势，且这两种趋势　随着隧洞衬砌材料的弹性模量Ｅ的增加而变得不　明显．　．叵　图３　隧洞结构竖向位移随衬砌材料性质的变化　２．１．２隧洞结构应力随衬砌材料性质的变化　这里给出的是隧洞顶部中心部位　点和底部　中心部位曰点处的数值．从图４和图５可以看出：①　隧洞底部的竖向应力和最大主应力在隧洞开挖后的　降低量大于隧洞顶部，施加衬砌支护后隧洞底部的　竖向应力要小于隧洞顶部，最大主应力要大于隧洞　顶部；②隧洞顶部和底部的竖向应力和最大主应力　均随着隧洞衬砌材料的弹性模量Ｅ的增加而减小，　当隧洞衬砌材料的弹性模量　在１．０～５．５　ＧＰａ范　围内变化时，竖向应力值在一２００～１３Ｏ　ｋＰａ范围内　变化，最大主应力值在一１１０～９０　ｋＰａ范围内变化；　③随着隧洞衬砌材料的弹性模量Ｅ的增加，隧洞顶　部和底部的竖向应力和最大主应力值的减小趋势变　得不明显．隧洞施加衬砌后，衬砌分担了隧洞结构的　部分应力，从而使作用在隧洞围岩上的应力大为减　少，改善了隧洞结构的受力状态，使结构的稳定性　增强．　２．２施加支护时机的选择　２．２．１　隧洞开挖过程对施加支护时机的影响　隧洞开挖后应尽早进行一次支护以使围岩与支　护协同作用，形成统一的承载体．在选择二次支护时　机时，必须考虑两个方面的问题：一是不能让围岩的　变形过大而进入松动状态，二是确保二次支护上的　力在合理范围之内，以满足支护的强度要求　．计　算中通过１０步开挖，每步开挖５　ｍ，计算目标断面　位于纵向２５　ｍ处（中间断面），开挖到第６步时到　达目标断面，采用各向均匀的静止水压力，水压力随　着隧洞的开挖步逐步施加．这里给出了隧洞顶部Ａ　点处的计算数值．　ｌ２Ｏ　华北水利水一ｌ　目一１　一２　趔一２　一３　逗一３　一ｄ　—ｄ　图４　隧洞竖向应力随衬砌Ｅ的变化　图６和图７给出了隧洞结构竖向位移和最大主　应力随施工过程的变化，可以看出：①隧洞顶部的竖　向位移在开挖到计算目标断面前略有回弹，从开挖　到前一个断面（５　ｍ距离）时位移开始增大，直到开　挖到计算目标断面后一个断面（５　ｍ距离）后增长结　束，随后又略有回弹，隧洞顶部的最大主应力在开挖　至目标断面前有一个释放过程，随着开挖过程（４—　８步）开始增大，直到开挖过目标断面一段距离以后　（１５　ｍ）才又开始减小；②对比两图可知，隧洞顶部　＿６．７２　ｃ－６．７４　。ｌ一６．７６　＿６．８２　运：＿６．８４　＿＿６．８６　－６．８８　电学院学报　２０１０年１Ｏ月　图５　隧洞最大主应力随衬砌Ｅ的变化　位移变化实际上是一个应力释放和增长的过程，在　不同时刻施加衬砌支护则作用在衬砌上力的大小将　不同；③衬砌支护的主要作用是受力并限制围岩的　进一步位移，施加衬砌的时间非常关键；④顶部围岩　的应力逐渐增大，隧洞施加衬砌支护后，衬砌分担了　隧洞结构的一部分应力，通过其他点处计算数据　（受篇幅限制未列出）可以看出，作用在隧洞衬砌上　的最大主应力由压应力变成了拉应力，这说明在隧　一Ｂｄ。　毯ｒ王　略　洞衬砌上布置受拉钢筋（钢筋网）是必要的．３一　　３一　　３一　　３一　　３一　　３一　　３一　　３一　　３一　　　３　４　４　４　５　５　６　６　６　６　Ｏ　４　８　２　６　０　４　图７隧洞顶部最大主应力随开挖的变化　主应力矢量变化情况，图９中６一ｌ２开挖步表示已　经开挖到目标断面和通过目标断面以后时的主应力　矢量变化情况．从ｌ一１２开挖步，主应力矢量实际上　是一个渐变的过程，从图８和图９可以看出：随着开　挖逐渐接近计算目标断面，开挖面周围的主应力矢　量由原先的竖直方向逐渐发生旋转，向开挖洞室的　边界线形状靠拢，当开挖面通过目标断面一段距离　（１５　ｍ）后，开挖面周围的主应力矢量稳定成与洞室　边界平行的方向．　｝ｉ｛ｊ　ｆ　ｌ；　丰ｉ　ｔ　壬　鼍　ｌ　壬　善　主　壬　薹　壬　图９　６－－１２开挖步时主应力矢量变化图　第３１卷第５期　孙常新，等：　水工隧洞支护特性研究　１２ｌ　应力大小的变化控制着裂隙的深度，应力方向　的改变控制着裂隙的密度，岩体的破坏是这两个因　围岩的自承能力合理地选择施加支护的时间，可进　行超前支护．　ｄ．隧洞开挖引起了隧洞开挖断面附近围岩内　应力的方向发生变化，其方向由原先的竖直方向逐　步旋转成大致与隧洞开挖轮廓线平行的方向．　ｅ．围岩内应力方向的改变可以导致围岩裂隙的　素相互作用的结果　．围岩内主应力矢量的旋转导　致围岩内裂隙的发展，当开挖至目标断面时，主应力　矢量方向的旋转导致围岩裂隙的大面积扩展，直至　开挖过目标断面一定距离后，主应力的矢量方向旋　转至大致与隧洞开挖轮廓平行的方向，围岩裂隙也　就达到稳定，基本不再继续扩展．　进一步发展，在选择支护时机时，还应考虑应力旋转　导致的围岩裂隙密度的增加，要在围岩裂隙大规模　扩展之前施做衬砌支护．　参　考　文　献　［１］乐茂华．地下隧洞支护结构型式及支护时机研究［Ｄ］．　南京：河海大学，２００３．　３　结语　通过数值模拟分析水工隧洞在不同衬砌支护弹　性模量层下的位移、应力和影响施加支护时机的因　素，得出如下结论．　ａ．开挖隧洞后，随着衬砌支护材料的弹性模量　［２］葛浩然．隧洞设计与施工中存在的误区［Ｊ］．岩土力学，　２００３，２４（９）：２１７—２２０．　Ｅ值的提高，隧洞开挖面顶部有上弹趋势，底部有下　沉趋势．　［３］侯龙，刘东燕，徐磊，等．引水隧洞应力重分布及内水压　力影响范围探讨［Ｊ］．重庆工商大学学报：自然科学版，　２００７，２４（４）：４１９—４２６．　ｂ．提高隧洞衬砌材料弹性模量　可以改善隧　洞结构的受力效果，但当　增大到一定程度以后，　［４］蔡晓鸿．水工压力隧洞结构应力计算［Ｍ］．北京：中国　水利水电出版社，２００４．　这种效果就不再明显，故也不能通过无限制地加强　衬砌材料性质来提高隧洞的稳定性，否则变得不够　经济．　Ｃ．当隧洞还未开挖到目标断面时，目标断面上　就已经发生位移和应力变化，这时候可以根据具体　［５］李围．隧道及地下工程ＡＮＳＹＳ实例分析［Ｍ］．北京：中　国水利水电出版社，２００８．　［６］张社荣，梁礼绘．考虑三维应力旋转的隧洞衬砌支护时　机研究［Ｊ］．水利学报，２００７，３８（６）：７０４—７０９．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　ＳＵＮ　Ｃｈａｎｇ—ｘｉｎ　，ＧＡＯ　Ｆｅｎｇ　（１．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００７４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５００　１　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ａ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｎｎｅｌ　ｐｒｏｊｅｃｔ，ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｄ—Ｐ　ｙｉｅｌｄ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｓｔｒｅｓｓ，　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｅｌａｓｔｏ—ｐｌａｓｔｉｃ　ＦＥＭ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗａｓ　ｄｏｎｅ　ｂｙ　ＡＮＳＹＳ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈｏｉｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅｒ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ’ｓ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ　ｃｏｕｒｓｅ　ａｎｄ　ｒｏｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈｏｉｃｅ　ｏｆ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅｒ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ’　ｓ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｍｏｄｕｌｕｓ，ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ’ｓ　ｔｏｐ　ａｎｄ　ｂｏｔｔｏｍ　ｈａｄ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｕｐｗａｒｄｓ　ａｎｄ　ｄｏｗｎｗａｒｄｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ’ｓ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｗａｓ　ｉｎ—　ｃｒｅａｓｅｄ　ｔｏｏ；ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ’ｓ　ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ　ｓｔｅｐｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｏｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｈａｖｅ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈｏｉｃｅ　ｏｆ　ｌｉｎｅａｒ　ｓｕｐｐｏｒｔ—　ｉｎｇ　ｔｉｍｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｎｎｅｌ；ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｒｏｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ　ｏｆ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ；ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｔｉｍｅ　（责任编辑：乔翠平）