秦岭终南山特长隧道竖井衬砌的数值计算

秦岭终南山特长隧道竖井衬砌的数值计算

史彦文,韩常领,董　溥

(中交第一公路勘察设计研究院　西安市　710075)

摘　要:选取建设规模居世界第一的秦岭终南山隧道1号通风竖井为研究对象,根据设计提供的支护参数,采用MI竖井二次衬砌的受力状态分析,评价了衬砌DAS󰃗GTS真实模拟了竖井施工的全过程。通过对竖井初期支护、结构的安全性。结果表明:对于竖井二次衬砌,在距离送风道交接口边缘约5m区域内,是高应力聚集区,是需要设计中重点加强的关键部位,普通素混凝土不能保证结构的安全,需要采取增配钢筋进行补强。竖井二次衬砌的其余地段和送风道排风道二次衬砌,设计时可以作为安全储备,仅需要按照构造要求进行设计。

关键词:

隧道工程;竖井;数值计算;二次衬砌1　竖井设计概况秦岭终南山公路隧道是世界上最长的双洞公路隧道,隧道全长18102km。隧道位于包(头)北(海)线和银(川)武(汉)线的共线段上,按照上下行双洞双车道标准设计,设计车速80km󰃗h,隧道净宽10150m,净高510m。隧道通风采用竖井分段纵向式通风方案,共设3座竖井,是世界口径最大、深度最深的竖井通风工程。竖井最大埋深661m,最大直径为1115m,通风竖井通过送风道、排风道以及隔风板等实现通风换气。隧道竖井与通风洞室的交叉口段的结构见图1所示。

　　秦岭终南山隧道竖井的工程规模巨大,通风洞室彼此交错,空间跨度大,受力复杂,各洞室的施工彼此干扰大。面对如此复杂的竖井,本行业还没有成熟的规定、规范,国内也无工程实例,目前国内尚无对这部分结构的数值模拟计算,在国外这方面的分析计算也不多见。为此,本文以终南山隧道1号竖井为分析对象,重点对1号竖井与各洞室交叉口处的衬砌受力状态进行分析,重现施工过程中衬砌的真实受力状况,以此对各设计参数进行复核。计算采用国际通用的工程计算软件MIDAS󰃗GTS。2　工程地质和水文地质情况

根据竖井地质勘探报告,1号竖井的地表以下13m范围内主要为第四系全新统坡洪积层,以粉质粘土为主,围岩划分为V级;第四系以下为混合片麻岩,夹有少量片麻残留体,岩体受构造影响严重,岩体较破碎,以块状镶嵌结构为主,围岩划分为󰂬级围岩。地下水为基岩裂隙水,无侵蚀性。3　建立模型311　模型的计算范围

1号竖井的深度为19014m,竖井与各通风洞室

单位:cm

图1　竖井通风洞室结构示意

所在地段围岩为󰂬级。计算选取我们最关心的竖井风道与竖井连接处。模型选取的尺寸为50m×70m×88m,见图2所示。

收稿日期:2007-07-10

　2007年　第12期　　　　　　　　　史彦文:秦岭终南山特长隧道竖井衬砌的数值计算　

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图3　开挖顺序及有限元网格划分图2　竖井有限元模型计算范围

在建模过程中,充分考虑了竖井锚杆等初期支护的加固作用,并考虑了二次衬砌永久结构的承载作用。

312　模型计算参数在计算模型中,围岩采用MIDAS󰃗GTS提供的实体模型,锚杆采用结构单元中的植入式框架单元,喷射混凝土和二次衬砌采用板单元模拟。岩土体本构模型为弹塑性模型,用材料Mohr2Coulomb理论。的物理力学参数见表1。

表1　计算所用材料的物理力学参数

材料󰂮级围岩󰂬级围岩喷射混凝土二次衬砌锚杆

重度

kN・m

1824222477

-3

在MIDAS󰃗GTS后处理中,提供了VonMises应力,VonMises应力是基于剪切应变能的一种等效应力,其值为:

Ρeff:(von2MiissStres)=

2

(Ρ21-Ρ1Ρ2+Ρ2)

(1)

式中:Ρ1为最大主应力;Ρ2为最小主应力。

VonMises准则表示在一定的变形条件下,当受力物体内一点的等效应力达到某一定值时,该点就开始进入塑性状态。Ρmises等效应力可以通过后处理计算得到。采用此准则去评价塑性材料的屈服失效是最为妥当的。

412　竖井初期支护受力分析及安全性评价

竖井开挖后,喷射混凝土所受的Vonmises应力见图4所示。

变形模量

GPa1.5132331210

泊松比

0.400.260.250.200.20

粘聚力

MPa0.101.101.502.00

内摩擦角(°)

25405255

313　施工过程的模拟

竖井与风道处围岩为󰂬级,岩体质量比较好,可

采用全断面爆破一次成型的施工方案,按12……9分步开挖施工。初期支护是在每次开挖完成后

立即施做,即先进行初喷,然后系统锚杆施工,最后补喷混凝土达到设计厚度。竖井二次衬砌是在竖井初期支护全部完成后施工。送风道、排风道开挖在竖井二次衬砌完成后进行,施工方案同竖井。开挖顺序见图3所示。4　计算结果及分析

411　MIDAS󰃗GTS后处理中的Vonmises应力

图4　竖井开挖后喷射混凝土Vonmises应力

此阶段,由于竖井围岩较好,作用在初期支护围

岩压力较小。最大Vonmises应力出现在竖井的变截面处,安全系数为:

ΡR210(2)k===31333

max(Ρs)0160

　公　　路　　　　　　　　　　　　　　　　2007年　第12期　—　　　　　　　　　　　　　　　　　　　216—式中:k表示安全系数;max(Ρs)表示喷射混凝土所受的极限抗拉力,取016MPa;ΡR表示C25混凝土设计极限抗拉强度,取ΡR=210MPa。

通过计算可以看出,围岩作用于初期支护上的应力较小,最小安全系数达313,根据《公路隧道设计

(JTGD70-2004),设计是合理可行的。规范》

送风道、排风道开挖后,初期支护所受的Ρmises

见图5所示。可以看出,在竖井与送风道的交叉口正中间(图中A点),max(Ρs)为610MPa,安全系数仅为0133;在竖井与底板的交接部位(图中B点),max(Ρs)为91239MPa,安全系数仅为01216,已经远远超过了喷射混凝土的极限抗拉强度,初期支护会出现放射状裂缝,甚至脱落,围岩会出现坍塌、掉块甚至失稳等现象。但是,由于在此之前已经施做了二次衬砌,二次衬砌已经提供了相应的安全保证。

图6　竖井二次衬砌后的Vonmises应力

口的中间部位(图中的A点),屈服区宽度在边缘以

上大约4m的范围内,而侧部(图中C点)的宽度大约112m。最大屈服点发生在交叉口的正中间部位(图中A点),为9120MPa,安全系数仅为0124。此阶段竖井井壁交叉口边缘二次衬砌会出现放射状裂缝,甚至会脱落掉块。为此需要采取增配钢筋的补强措施,以确保结构的安全。

图5　所有风道开挖后喷射混凝土Vonmises应力

413　竖井二次衬砌受力分析及安全性评价41311　送风道开挖前

二次衬砌是在竖井初期支护完成后,送风道、排风道开挖前施工,图6为风道开挖前的竖井二次衬砌Vonmises等效应力图(图中的空洞是为今后开挖风道预留)。在远离风道交叉口的井身部位,Ρmises一般在01029～0105MPa之间,而在竖井风道口的边缘,是应力集中区,最大Ρmises应力为01065MPa,此时安全系数为3318。这说明此阶段竖井二次衬砌结构是非常安全的,但是随着风道的开挖,二次衬砌所受的轴力弯矩会继续增大,Ρmises等效应力会持续增大。41312　送风道开挖后

图7　送风道开挖后竖井二次衬砌的Vonmises应力

41313　排风道开挖后

排风道开挖完毕后,在距离交叉口边缘较远的

井身部位,衬砌所受的Ρmises应力较小,见图8所示,一般约01191MPa,都小于衬砌的极限抗拉强度2120MPa,这些地段的衬砌是安全的,设计过程中仅需要按照通风构造要求进行设计。《公路隧道设计

(JTGD70-2004)91216款规定,复合式衬砌规范》

中的二次衬砌,󰂪～󰂬级围岩中为安全储备,并按构造要求进行设计。从计算的结果看,计算结果与规范完全吻合。

但在竖井与送风道、排风道交叉口边缘区域,受风道开挖的影响,出现了屈服破坏区,Vonmises应力随着与交接口距离的增大,屈服应力逐渐变小,在

送风道开挖后,在竖井与送风道交接口的边缘,均出现了拉应力屈服区,见图7所示,但是衬砌屈服区的区域是有限的,在排风道的交叉口和距离送风道较远的部位,并没有出现屈服区。在与送风道交叉

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应力聚集区,是需要设计中重点加强的关键部位,竖井二次衬砌,需要按照承载结构进行设计,普通素混凝土不能保证结构的安全,需要采取增配钢筋的补强措施。竖井二次衬砌的其余地段、送风道和排风道二次衬砌,设计时可以作为安全储备,仅需要按照构造要求进行设计。

(3)秦岭终南山隧道存在构造应力,在模拟计算过程中,并没有考虑构造应力。构造应力对隧道的开挖方案和支护方案的影响仍需要继续研究。参考文献:

[1]　铁道第一勘察设计院1秦岭终南山特长隧道运营通风图8　排风道开挖后的Vonmises应力

送风道的正上方(图中A点),大约5m区域内,排风

道上方(图中D点)约315m区域内,这些区域的应力都接近或超过了混凝土的极限抗拉强度,二次衬砌应作为承载结构进行设计,普通素混凝土不能保证结构的安全,需要采取加筋补强的措施,以保证结构的设计安全。5　结论与探讨

(1)竖井施工过程中,在送风道、排风道开挖前

优先施工竖井二次衬砌是非常必要的,这对后续风道的安全开挖和结构稳定非常有利。

(2)竖井与送风道、排风道的交叉口部位,是结构设计中需要重点加强的薄弱环节。对于竖井二次衬砌,在距离送风道交接口边缘约5m区域内,是高

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NumericalComputingofShaftLiningof

ZhongnanshanExtra-LongTunnelinQinlingMountain

SHIYan-wen,HANChang-ling,DONGPu

(TheFirstHighwaySurveyandDesignInstituteofChina,Xi’an710075,China)

Abstract:TakingtheventilatingshaftofZhongnanshanTunnelintheQinlingMountainasthe

researchprototype,whoseconstructionscaleisthelargestintheworld1MIDAS󰃗GTSisappliedtosimulatethewholetheconstructionprocess1Onthebasisofstressstateanalysis,thesafetyoftheliningstructureisinvestigated1Theresultsshowthatthestressishighlyconcentratedontheareawhichis5mfarfromtheedgeofthecrosssectionandwhichisthekeyareatobereinforced,becausetheplainconcretecannotensurethestructuralsafety,reinforcementsareneededtobeused1Thesecondaryliningonotherplacesintheshaftandventilatingshaftcanbeonlydecidedbythestructurerequirements,whichresultsinmoresafetystorage1

Keywords:tunnelengineering;verticalshaft;

numericalsimulation;secondarylining