胡謀鵬

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司

摘要：運(yùn)用地層結(jié)構(gòu)法對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖及Ⅴ級(jí)圍巖一般段支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果顯示各計(jì)算模型圍巖位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力均較小，在規(guī)范規(guī)定的各級(jí)圍巖允許位移及結(jié)構(gòu)安全范圍內(nèi)，支護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備。

關(guān)鍵詞：天然氣管道；隧道；支護(hù)結(jié)構(gòu)；地層結(jié)構(gòu)法； MIDAS/GTS

地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法主要有荷載結(jié)構(gòu)法和地層結(jié)構(gòu)法。地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算方法簡(jiǎn)單，工作量小，具有明確的安全系數(shù)評(píng)價(jià)方法，但由于未考慮圍巖的自承能力，設(shè)計(jì)結(jié)果較保守。但其更適用于地下結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，據(jù)此，分別對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖及Ⅴ級(jí)圍巖一般段支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

1 數(shù)值模擬的前處理

1.1 計(jì)算模型

基于MIDAS/GTS完成計(jì)算分析。隧道屬于細(xì)長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)物，其橫斷面相對(duì)縱向的長(zhǎng)度小很多，可以假定在圍巖荷載作用下，其縱向沒(méi)有位移，只有橫向發(fā)生位移，可以采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行力學(xué)分析。計(jì)算不考慮空間效應(yīng)，采用二維平面計(jì)算模型，所有材料均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性，初始應(yīng)力場(chǎng)由自重應(yīng)力生成，不考慮構(gòu)造應(yīng)力，地層的應(yīng)力/應(yīng)變?cè)趶椝苄苑秶鷥?nèi)變化，依據(jù)摩爾—庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)材料采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

地層采用平面應(yīng)變單元模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)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(yīng)變單元模擬，錨桿以植入式桁架單元模擬。通過(guò)提高加固圈圍巖參數(shù)體現(xiàn)超前支護(hù)對(duì)圍巖的預(yù)加固效果。計(jì)算不考慮鋼筋網(wǎng)的支護(hù)作用，將其作為安全儲(chǔ)備。

1.2 初始地應(yīng)力模擬

巖體初始地應(yīng)力由自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力組成。通過(guò)水平側(cè)壓力系數(shù)法計(jì)算得到的應(yīng)力狀態(tài)設(shè)定為初始應(yīng)力狀態(tài)。水平側(cè)壓力系數(shù)K0，初始應(yīng)力σν，水平應(yīng)力計(jì)算式為σh＝K0σν。

1.3 荷載確定

采用地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算時(shí)，通過(guò)設(shè)置荷載釋放系數(shù)來(lái)控制隧道的受力，將地應(yīng)力按照工況分成幾部分逐步釋放，以使圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)能按較合理的分擔(dān)比例共同承受釋放荷載的作用。

1.4 約束確定

實(shí)踐和理論分析表明，由于荷載釋放而引起的洞室周?chē)�介質(zhì)的應(yīng)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(jì)算模型的邊界范圍為：對(duì)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(duì)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(shí)際地形尺寸設(shè)置。計(jì)算時(shí)施加的邊界條件是：模型兩側(cè)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(hù)參數(shù)與施工方案

天然氣管道工程隧道設(shè)計(jì)施工遵循新奧法原理，隧道支護(hù)參數(shù)根據(jù)隧道的圍巖和埋深情況設(shè)置。

Ⅳ級(jí)圍巖段支護(hù)參數(shù)為：錨噴支護(hù)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(wǎng)25×25 cm（拱部單層）；C30噴射混凝土（加塑料纖維）厚20 cm。

Ⅴ 級(jí) 圍 巖 一 般 段 支 護(hù) 參 數(shù) 為 ： 錨 噴 支 護(hù) 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(wǎng)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(jí)圍巖段采用全斷面開(kāi)挖施工。

3 Ⅳ級(jí)圍巖段支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 計(jì)算模型的建立及參數(shù)選取

Ⅳ級(jí)圍巖段開(kāi)挖跨度4.40 m，開(kāi)挖高度4.55 m，模型計(jì)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(shù)6 359個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為6 213個(gè)，計(jì)算模型總體網(wǎng)格和細(xì)部網(wǎng)格劃分如圖 1所示。釋放荷載分擔(dān)比例為：開(kāi)挖階段釋放50%，施作第一層噴錨支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)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(jì)算結(jié)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�？梢钥闯�，隧道拱頂位置沉降量最大，為0.72 mm，隧底出現(xiàn)較大底鼓現(xiàn)象，最大底鼓量為 1.02 mm，水平位移（凈空方向）最大值出現(xiàn)在隧道左右側(cè)邊墻中部，均約為0.39 mm�？傮w來(lái)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(gè)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(cè)拱腰位置錨桿受力最小，最大軸向拉力約為6.6 kN，應(yīng)力值為20.8 MPa，小于錨桿的屈服強(qiáng)度340 MPa�？傮w來(lái)看，系統(tǒng)錨桿發(fā)揮了其承載能力，對(duì)限制隧道變形、改善圍巖及支護(hù)受力狀況起到了作用。

3.2.3 噴射混凝土內(nèi)力

模擬的噴射混凝土第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布分別如圖 5和圖 6所示�？梢钥闯�，整個(gè)隧道斷面噴射混凝土第一主應(yīng)力極值為2.6×10-3 MPa，滿足C30噴射混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.5 MPa的要求；拱腳部位外側(cè)噴射混凝土第三主應(yīng)力較大，最大值為-1.6 MPa，滿足C30噴射混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度15 MPa的要求。

4 Ⅴ級(jí)圍巖一般段支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 計(jì)算模型的建立及參數(shù)選取

Ⅴ 級(jí) 圍 巖 一 般 段 開(kāi) 挖 跨 度 4.5 m ， 開(kāi) 挖 高 度4.6 m，模型計(jì)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(shù)6 457個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為6 074個(gè)，計(jì)算模型總體網(wǎng)格和細(xì)部網(wǎng)格劃分如圖 7所示。釋放荷載分擔(dān)比例為：開(kāi)挖階段釋放45%，施作第一層噴錨支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表 2。

隧道施工模擬依次為：初始應(yīng)力狀態(tài)模擬；全斷面開(kāi)挖模擬；全斷面施作第一層噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)（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(jì)算結(jié)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�？梢钥闯�，隧道拱頂位置沉降量最大，為1.05 mm，隧底出現(xiàn)較大底鼓現(xiàn)象，最大底鼓量為1.69 mm，水平位移（凈空方向）最大值出現(xiàn)在隧道左右側(cè)邊墻中部，均約為1.26 mm�？傮w來(lái)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(gè)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(yīng)力值為96.1 MPa，小于錨桿的屈服強(qiáng)度340 MPa。

4.2.3 噴射混凝土內(nèi)力

模擬的噴射混凝土第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布分別如圖 11和圖 12所示�？梢钥闯�，整個(gè)隧道斷面邊墻內(nèi)側(cè)噴射混凝土第一主應(yīng)力較大，最大值為 0.05 MPa，滿足C30噴射混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.5 MPa的要求；邊墻部位外側(cè)噴射混凝土第三主應(yīng)力較大，最大值為﹣2.96 MPa，滿足C30噴射混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度15 MPa的要求。

5 結(jié)論及建議

（1）采用地層結(jié)構(gòu)法分別對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖及Ⅴ級(jí)圍巖一般段支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，圍巖最終位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 3（表中應(yīng)力“＋”為受拉，“－”為受壓），結(jié)果顯示各計(jì)算模型圍巖位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力均較小，在規(guī)范規(guī)定各級(jí)圍巖允許位移及結(jié)構(gòu)安全范圍內(nèi)，支護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備，表明設(shè)計(jì)采用的隧道支護(hù)參數(shù)及施工方案能夠滿足工程要求。

（2）計(jì)算參數(shù)按照一般值選取，沒(méi)有進(jìn)行嚴(yán)格的材料試驗(yàn)，且實(shí)際隧道施工各階段圍巖荷載釋放率與計(jì)算中所采用的荷載釋放率難免有出入，因此，盡管計(jì)算結(jié)果顯示圍巖位移及支護(hù)受力均較小，施工中還應(yīng)重視監(jiān)控測(cè)量工作，必要時(shí)應(yīng)對(duì)圍巖位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，了解隧道變形及受力情況，進(jìn)行反饋設(shè)計(jì)，以確保隧道的建設(shè)更加安全、經(jīng)濟(jì)。

作者簡(jiǎn)介：胡謀鵬， 1977年生，2007年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)巖土工程專(zhuān)業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事地下水封儲(chǔ)油庫(kù)和穿跨越的設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系方式： 15931638925， 58921640@qq.com、 humoupeng@cnpc.com.cn。