湿喷纤维混凝土支护公路隧道横洞的有限元数值分析

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吉林交通科技

20 0 8年第 3期

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湿喷纤维混凝土支护公路隧道横洞的有限元数值分析高林(长春 10 6 ) 3 0 1

王晓鹏(长春 10 1 ) 3 02

朱赞成(北京 1 0 8 1 002

吉林省高等级公路建设局吉林省交通厅物资供应站北京科技大学土木T程系

【内容摘要】基于大型有限元程序 F A L C软件，针对某高速公路隧道间行车横洞采用 1c、0m、5m 5m 2 2 等不同厚度的聚丙烯纤维增强混凝土锚喷支护结构时的最大与最小应力场、塑性区的位置及演变、隧道拱项、直墙及底板的位移进行了数值模拟计算分析。结果表明：丙烯纤维增强混凝土锚喷支护结构均可有效聚地改善围岩的应力再分配、降低围岩的塑性区分布范围和深度，强化了隧洞的稳定性。

【关键词】隧道前言

支护力学分析1计算模型设计根据研究的需要，建立了以行车横洞为主体的二维岩石力学计算模型。力学分析采用平面应变模型假设，即垂直于计算剖面方向的变形为零。由于研

当前，隧道掘进过程中，易引起围岩应力重在容新分布，而发生弹塑性变形，成塑性区和一定范继形围的破碎松动圈，同时向隧道空间收敛，导致围岩变形失稳。为控制松动圈发展、维护围岩稳定而施作的

究对象对称，型采用一半处理，维计算模型的长模二乘高为 2m￣ 0 2 6 m。模型在深度范围(6 m 20 )各 10 2 m,构筑物的尺寸严格按照《45宽路基分离式隧道 2.米建筑界限与内轮廓设计》行模型的单元网格划分。进如图 1所示，模型自行车横洞中心± 0以上高为 3 m, 0以下深为 3 m。研究取右半部为计算模型， 0共划分 2 3 7 3个单元。考虑到隧道的对称性，值 9x2数

支护结构，一是对岩体内加固，即提高岩体的残余强度，以及提高内聚力、内摩擦角和弹性模量，高围提岩的承载力，常用的内加固有注浆等；二是围岩外加

固和封闭，早期及时提供支护抗力，以改善岩体的受力状态，外加固的方

法一般是喷射混凝土和混凝土衬砌等。

某高速公路分离式隧道右洞长 30 m、左洞长 90 35 m,大埋深 50 86最 6 m。两隧道问共设 6个行车联系横洞和 3人行联系横洞。隧道穿过地段大部分个为燕山期花岗岩，部夹有片岩捕虏体，粒结构，局粗裂隙发育，铁锰质充填结构；口端岩石稍有片理化出

模型取图 1的一半进行分析，二维模型侧面限制水平移动，型底部限制垂直移动。型上部施加自地模模表 0 10岩体自重 O￣ 40 MP。根据现场地质~ 6m ' - .8 a Z一勘察揭示的构造应力场特征，在模拟计算中取水平应力， O5-【= .5r【= .o, T 04 c。『 :

现象，质坚硬，岩风化较严重。该隧道围岩绝大部分为Ⅲ级围岩，中有一长度约 4 m的破碎带。由于其 0行车横洞和人行横洞的截面尺寸较小，决定采用湿喷聚丙烯纤维增强混凝土和系统锚杆组成的锚喷体系作为横洞的永久性支护结构。聚丙烯纤维混凝土

比普通混凝土具有更高的粘稠性、大幅度降低混凝土的回弹、阻止收缩龟裂、大抗冲击能力、能增提高

抗弯曲强度、高抗渗能力、提改善混凝土的密实性。在软弱和破碎的岩体中，喷射纤维混凝土还具有防止或延缓危岩塌落的作用。4 2

图 1行车横洞示意图和基本尺寸

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2岩体与支护结构力学参数该隧道围岩以花岗岩为主，于弹塑性材料，属计算采用 Mo rC uo b屈服准则： h— o lm

学参数为：弹性模量 8G a泊松比 03粘结力 07 P; .; . MP; a内摩擦角 4。单轴抗拉强度 22 a平均容 5; . MP;重 26 Nm。锚喷采用的聚丙烯纤维混凝土： .K/ 弹性模量 3 P;松比 02;向抗拉强度 33 MP; 5G a泊 .单 2 . 5 a平均容重 2 K/ . N m。路面按弹性材料处理， 4弹性模

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容重 .5K 2。支㈩量 2的配筋和锚 23 N/泊松比 0.1护结构 采用8GPa;固类型：m;湿喷射聚丙烯纤维混凝土，

式中：

.,别是最大和最小主应力，、分盯、分叮 c‘ P别是材料的粘结力和内摩擦角。当 f O时， s>￣材料将发生剪切破坏。材料在达到屈服极限后，在恒定的应

中 2螺纹钢砂浆锚杆，间距为 10 m 2 00 m。锚杆长度 3弹性模量 5 P;服极限 35MP; m; 8G a屈 7 a剪切模量53 MN// .7/nm;刚度模量 4 96 N m m。图 2和图 3 r 1 .K// 为二维模型中行车横洞聚丙烯纤维混凝土及周围岩体锚杆布置。

力水平下产生塑性变形。拉应力状态下，果拉应在如

力超过材料的抗拉强度，材料发生拉破坏。 根据现场提供的资料，模拟计算时花岗岩的力

35 o .o25 . o0

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图 2行车横洞湿喷聚丙烯纤维混凝土

图 3行车横洞锚杆布置

3隧道模拟计算过程

是该处深度岩体自重的 18,主要集中在隧道底 .倍板外侧隅角处。由图 5可知，小主应力叮为 0 最，~25 a .MP,未有拉应力出现。行车横洞开挖所引起的隧道围岩位移如图 7所示，围岩体的主要移动方向朝向隧道空间，最大位移量为 3 1 mm, .5 9隧道顶板以

岩体和支护结构的力学行为与所经历的应力变化密切相关。了客观、实地反映在不同受力阶段为真

6 2 一姗 啪一一 4脚

岩体及支护结构的力学状态，析岩体与结构应力、分变形和破坏机理，文中主要针对行车横洞支护加固前的变形过程与破坏状态和行车横洞湿式喷射纤维混凝土支护的力学状态进行分析研究。4计算结果及分析

垂直下沉为主，其值为 1 5 mm,肩的岩体兼有垂 .9 9拱直和水平方向的移动，其值为 1 7mm,腰周围的 .7 3拱岩体则主要以水平方向运动为主，其值为08 1 m在隧道底板有底鼓产生。行车横洞开挖 .0 2 m,后，围岩体的塑性变形区和破坏区分布在

隧道周围， 如图 6所示，其塑性区主要分布在隧道的拱肩、拱腰和底板，拱肩和拱腰有剪切破坏，底板有拉破坏产生，坏区大约为 l破 m深。

41行车横洞支护加固前的变形过程与破坏 .状态

充分了解和掌握岩体的初始力学状态，是设计

和实施有效的岩体控制技术的基础和依据。通过模拟计算，出行车横洞开挖后围岩体的力学状态：得当行车横洞掘进后，隧道的围岩应力分布发生了较大

由图 4图 7~可知，隧道底板隅角岩体中应力集中区，是造成该处岩体移动变形和塑性破坏的内在根源；隧道围岩体的主要运动趋势在垂直方向，采取有效合理的支护措施，可控制拱腰位移向隧道内侧的进一步发展；隧道与路面构成了一个相互影响、相

的变化，隧道围岩体中形成相对的应力集中现象。在如图 4示，车横洞围岩最大主应力 1为一 MP,所行 3" 9 a

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图 4开挖后未支护最大主应力

图 5开挖后未支护最小主应力场

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