胡谋鹏

中国石油天然气管道工程有限公司

 

 

摘要：运用地层结构法对Ⅳ级围岩及Ⅴ级围岩一般段支护结构进行计算分析。结果显示各计算模型围岩位移及支护结构受力均较小，在规范规定的各级围岩允许位移及结构安全范围内，支护结构具有一定的安全储备。

关键词：天然气管道；隧道；支护结构；地层结构法； MIDAS/GTS

 

 

 

地下结构的设计计算方法主要有荷载结构法和地层结构法。地层结构法计算方法简单，工作量小，具有明确的安全系数评价方法，但由于未考虑围岩的自承能力，设计结果较保守。但其更适用于地下结构的实际情况，据此，分别对Ⅳ级围岩及Ⅴ级围岩一般段支护结构进行计算分析。

1 数值模拟的前处理

1.1 计算模型

基于MIDAS/GTS完成计算分析。隧道属于细长型结构物，其横断面相对纵向的长度小很多，可以假定在围岩荷载作用下，其纵向没有位移，只有横向发生位移，可以采用平面应变模型进行力学分析。计算不考虑空间效应，采用二维平面计算模型，所有材料均为均质、连续、各向同性，初始应力场由自重应力生成，不考虑构造应力，地层的应力/应变在弹塑性范围内变化，依据摩尔—库伦强度准则，结构材料采用线弹性本构关系。

地层采用平面应变单元模拟，支护结构中的钢架（型钢钢架或格栅钢架）和喷射混凝土用等效方法将钢架的弹性模量折算给喷射混凝土；二次衬砌也采用平面应变单元模拟，锚杆以植入式桁架单元模拟。通过提高加固圈围岩参数体现超前支护对围岩的预加固效果。计算不考虑钢筋网的支护作用，将其作为安全储备。

1.2 初始地应力模拟

岩体初始地应力由自重应力和构造应力组成。通过水平侧压力系数法计算得到的应力状态设定为初始应力状态。水平侧压力系数K0，初始应力σν，水平应力计算式为σh＝K0σν。

1.3 荷载确定

采用地层结构法计算时，通过设置荷载释放系数来控制隧道的受力，将地应力按照工况分成几部分逐步释放，以使围岩和支护结构能按较合理的分担比例共同承受释放荷载的作用。

1.4 约束确定

实践和理论分析表明，由于荷载释放而引起的洞室周围介质的应力和位移变化，在5倍洞径范围之外小于1%，在3倍洞径之外约小于5%。因此，本计算模型的边界范围为：对深埋一般段隧道，水平方向 左、右两边和隧道上、下方向取洞高的5倍；对浅埋段隧道，水平方向左、右两边和隧道下方取洞高的5倍，隧道上方按照实际地形尺寸设置。计算时施加的边界条件是：模型两侧边界约束水平方向的位移、底部边界约束竖向位移。

2 隧道支护参数与施工方案

天然气管道工程隧道设计施工遵循新奥法原理，隧道支护参数根据隧道的围岩和埋深情况设置。

Ⅳ级围岩段支护参数为：锚喷支护衬砌，拱墙系统锚杆L =2 m（φ 22砂浆锚杆），间距1.2×1.2 m，梅花型布置； φ6.5钢筋网25×25 cm（拱部单层）；C30喷射混凝土（加塑料纤维）厚20 cm。

Ⅴ 级 围 岩 一 般 段 支 护 参 数 为 ： 锚 喷 支 护 衬砌，拱墙系统锚杆L =3 m（φ 22砂浆锚杆），间距1.0×1.0 m，梅花型布置； φ 6.5钢筋网25×25 cm（拱部双层，边墙单层）； C30喷射混凝土（加塑料纤维）厚25 cm；格栅钢架高10 cm，间距1.0 m，φ20主筋； φ22锁脚锚杆， L =3.5 m，每断面2根。

隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩段采用全断面开挖施工。

3 Ⅳ级围岩段支护结构计算

3.1 计算模型的建立及参数选取

Ⅳ级围岩段开挖跨度4.40 m，开挖高度4.55 m，模型计算范围为：水平方向左、右两边和隧道上、下方向取洞高的5倍。模型共划分总单元数6 359个，节点总数为6 213个，计算模型总体网格和细部网格划分如图 1所示。释放荷载分担比例为：开挖阶段释放50%，施作第一层喷锚支护阶段释放30%，第二层喷射混凝土施作阶段释放20%。隧道围岩及支护结构力学参数取值见表 1。

施作第二层喷射混凝土模拟；第二层喷射混凝土硬化模拟。

3.2 计算结果及分析

3.2.1 围岩位移

模拟的围岩竖向及水平向位移云图分别如图 2和图 3所示。可以看出，隧道拱顶位置沉降量最大，为0.72 mm，隧底出现较大底鼓现象，最大底鼓量为 1.02 mm，水平位移（净空方向）最大值出现在隧道左右侧边墙中部，均约为0.39 mm。总体来看，隧道位移较小。

                

3.2.2 锚杆轴力

模拟的锚杆轴力分布如图 4所示（图中轴力“＋”为受拉，“－”为受压，下同）。

可以看出，整个隧道断面锚杆全部呈受拉状态，隧道边墙部位锚杆受到的拉力较大，两侧拱腰位置锚杆受力最小，最大轴向拉力约为6.6 kN，应力值为20.8 MPa，小于锚杆的屈服强度340 MPa。总体来看，系统锚杆发挥了其承载能力，对限制隧道变形、改善围岩及支护受力状况起到了作用。

3.2.3 喷射混凝土内力

模拟的喷射混凝土第一主应力和第三主应力分布分别如图 5和图 6所示。可以看出，整个隧道断面喷射混凝土第一主应力极值为2.6×10-3 MPa，满足C30喷射混凝土抗拉设计强度1.5 MPa的要求；拱脚部位外侧喷射混凝土第三主应力较大，最大值为-1.6 MPa，满足C30喷射混凝土抗压设计强度15 MPa的要求。

                

4 Ⅴ级围岩一般段支护结构计算

4.1 计算模型的建立及参数选取

Ⅴ 级 围 岩 一 般 段 开 挖 跨 度 4.5 m ， 开 挖 高 度4.6 m，模型计算范围为：水平方向左、右两边和隧道上、下方向取洞高的5倍。模型共划分总单元数6 457个，节点总数为6 074个，计算模型总体网格和细部网格划分如图 7所示。释放荷载分担比例为：开挖阶段释放45%，施作第一层喷锚支护阶段释放30%荷载，第二层喷射混凝土施作阶段释放25%。隧道围岩及支护结构力学参数取值见表 2。

隧道施工模拟依次为：初始应力状态模拟；全断面开挖模拟；全断面施作第一层喷锚支护结构（喷射混凝土、格栅钢架及锚杆）模拟；第一层喷射混凝土硬化模拟；施作第二层喷射混凝土模拟；第二层喷射混凝土硬化模拟。

4.2 计算结果及分析

4.2.1 围岩位移

模拟的围岩竖向及水平向位移云图分别如图 8 和图 9所示。可以看出，隧道拱顶位置沉降量最大，为1.05 mm，隧底出现较大底鼓现象，最大底鼓量为1.69 mm，水平位移（净空方向）最大值出现在隧道左右侧边墙中部，均约为1.26 mm。总体来看，隧道位移较小。

                

4.2.2 锚杆轴力

模拟的锚杆轴力分布如图 10所示。可以看出，整个隧道断面锚杆全部呈受拉状态，隧道边墙部位锚杆受到的拉力较大，拱部锚杆受力较小，最大轴力约为36.5 kN，应力值为96.1 MPa，小于锚杆的屈服强度340 MPa。

4.2.3 喷射混凝土内力

模拟的喷射混凝土第一主应力和第三主应力分布分别如图 11和图 12所示。可以看出，整个隧道断面边墙内侧喷射混凝土第一主应力较大，最大值为 0.05 MPa，满足C30喷射混凝土抗拉设计强度1.5 MPa的要求；边墙部位外侧喷射混凝土第三主应力较大，最大值为﹣2.96 MPa，满足C30喷射混凝土抗压设计强度15 MPa的要求。

                

5 结论及建议

（1）采用地层结构法分别对Ⅳ级围岩及Ⅴ级围岩一般段支护结构进行计算，围岩最终位移及支护结构应力极值计算结果见表 3（表中应力“＋”为受拉，“－”为受压），结果显示各计算模型围岩位移及支护结构受力均较小，在规范规定各级围岩允许位移及结构安全范围内，支护结构具有一定的安全储备，表明设计采用的隧道支护参数及施工方案能够满足工程要求。

（2）计算参数按照一般值选取，没有进行严格的材料试验，且实际隧道施工各阶段围岩荷载释放率与计算中所采用的荷载释放率难免有出入，因此，尽管计算结果显示围岩位移及支护受力均较小，施工中还应重视监控测量工作，必要时应对围岩位移及支护结构内力进行全面监测，了解隧道变形及受力情况，进行反馈设计，以确保隧道的建设更加安全、经济。

 

作者简介：胡谋鹏， 1977年生，2007年毕业于武汉理工大学岩土工程专业，工程师，现主要从事地下水封储油库和穿跨越的设计工作。联系方式： 15931638925， 58921640@qq.com、 humoupeng@cnpc.com.cn。