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高岩温隧道初期支护应力场及安全性研究

唐兴华 王明年 童建军 董从宇 张冲

唐兴华, 王明年, 童建军, 董从宇, 张冲. 高岩温隧道初期支护应力场及安全性研究[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(1): 32-38. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20150958
引用本文: 唐兴华, 王明年, 童建军, 董从宇, 张冲. 高岩温隧道初期支护应力场及安全性研究[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(1): 32-38. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20150958
TANG Xinghua, WANG Mingnian, TONG Jianjun, DONG Congyu, ZHANG Chong. Study on Stress Field and Security of Primary Support in High Rock Temperature Tunnel[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(1): 32-38. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20150958
Citation: TANG Xinghua, WANG Mingnian, TONG Jianjun, DONG Congyu, ZHANG Chong. Study on Stress Field and Security of Primary Support in High Rock Temperature Tunnel[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(1): 32-38. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20150958

高岩温隧道初期支护应力场及安全性研究

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20150958
基金项目: 国家自然科学基金面上资助项目(51578458);高等学校博士学科点专项科研基金(博导类)资助项目(20130184110008);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2682013CX005EM)
详细信息
    作者简介:

    唐兴华(1981—),男,高级工程师,博士,研究方向为隧道及地下工程,E-mail: 10521801@qq.com

    通讯作者:

    童建军(1977—),男,副教授,博士,研究方向为隧道及地下工程,E-mail: jjtong@163.com

  • 中图分类号: U459.1

Study on Stress Field and Security of Primary Support in High Rock Temperature Tunnel

  • 摘要: 为评价高岩温隧道施工过程中初期支护的安全性,研究了高岩温隧道初期支护温度场、应力场的施工期特征和演变规律. 首先通过热-应力耦合三维数值模拟和现场测试,研究了不同原始围岩温度场中,高岩温隧道开挖过程中初期支护温度场的变化规律;其次考虑围岩荷载和温度荷载共同作用,分析了高岩温隧道开挖过程中初期支护应力场的变化规律;最后基于初期支护应力值,评价了高岩温隧道初期支护的安全性. 研究结果表明:受施工通风影响,初期支护温度在隧道开挖后急剧降低,约5 d后基本与洞内气温一致;受施工工序影响,初期支护最大拉应力先增后减,最大压应力持续增加;随着围岩初始温度增大,在不同施工步序中,初期支护的最大拉应力和最大压应力均增大;初期支护安全性由喷射混凝土抗拉强度控制,当围岩初始温度大于60℃时,C25喷射混凝土将发生拉裂破坏.

     

  • 图 1  V加强级围岩初期支护(单位:cm)

    Figure 1.  Primary support of V enhanced rock (unit:cm)

    图 2  计算模型

    Figure 2.  Calculation model

    图 3  围岩温度场拓展分析模型(单位:m)

    Figure 3.  Spreading model of rock temperature field (unit: m)

    图 4  初期支护温度和应力测点布置

    Figure 4.  Measuring point arrangement of initial support temperature and stress

    图 5  初期支护温度随时间变化曲线(数值模拟)

    Figure 5.  Temperature change with time curve of initial support (from numerical simulation)

    图 6  初期支护温度随时间变化曲线(现场测试)

    Figure 6.  Temperature change with time curve of initial support (from in-situ test)

    表  1  初期支护设计参数

    Table  1.   Design parameters of primary support

    围岩级别 喷层 系统锚杆 钢筋网 钢架
    位置 厚度
    /cm
    位置 长度
    /m
    间距
    (环/m × 纵/m)
    位置 直径
    (环/mm × 纵/mm)
    间距
    /cm
    位置 型号 间距
    /(m•榀–1
    拱墙 12 拱墙 2.5 1.0 × 1.0 拱墙 8 × 6.5 20 × 20
    Ⅳ加强 拱墙 20 拱墙 2.5 1.0 × 1.0 拱墙 8 × 6.5 20 × 20 拱墙 H125 1/1.2
    Ⅴ加强 拱墙/
    仰拱
    23/15 拱墙 3.0 1.0 × 1.0 拱墙 8 × 6.5 20 × 20 拱墙 工16 1/1
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    表  2  计算参数

    Table  2.   Calculation parameters

    项目 容重γ
    /(kN•m–3
    弹模E
    /GPa
    泊松比ν 黏聚力c/MPa 内摩擦角φ/(°) 导热系数λ
    /(W•(m•℃)–1
    线膨胀系数α
    /(× 10–5–1
    比热C
    /(J•(kg•℃)–1
    喷混凝土(C25) 22.0 23.0 0.20 2.94 1.00 960
    含钢架喷混凝土(C25) 27.7 42.1 0.21 7.74 1.02 911
    围岩(V级) 20.0 1.5 0.40 0.10 24.0 2.31 0.06 707
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    表  3  数值模型两侧边界温度梯度

    Table  3.   Thermal boundary condition on both sides of calculation model

    路肩标高处围岩
    初始温度/℃
    左边界/(℃•m–1 右边界/(℃•m–1
    48.0 0.194 1 0.190 3
    60.0 0.323 2 0.315 8
    80.0 0.538 0 0.527 2
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    表  4  不同温度边界下的隧道路肩岩温

    Table  4.   Rock temperature at tunnel shoulder with various boundary conditions

    下边界温度/℃ 路肩标高处围岩初始温度/℃
    60 36.1
    80 42.2
    100 46.9
    120 52.1
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    表  5  各施工步序初期支护最大主应力最大值

    Table  5.   Maximum of major principal stress in primary support by various construction step

    路肩标高处围岩
    初始温度/℃
    上台阶施工 下台阶施工 仰拱施工
    最值/MPa 位置 范围/m 最值/MPa 位置 范围/m 最值/MPa 位置 范围/m
    常岩温 0.610 拱腰内侧 1.0 0.929 拱腰外侧 1.2 0.573 墙脚外侧 0~0.6
    48℃ 0.992 拱腰内侧 1.0 1.374 墙脚内侧 5.0 0.901 墙脚外侧 0.6
    60℃ 1.231 拱腰内侧 1.0 1.770 墙脚内侧 4.0 1.213 墙脚外侧 0.6
    80℃ 1.513 拱腰内侧 1.0 2.011 墙脚内侧 4.0 1.502 墙脚外侧 0.6
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    表  6  各施工步序初期支护最小主应力最小值

    Table  6.   Minimum of minimum principal stress in primary support by various construction step

    路肩标高处围岩
    初始温度/℃
    上台阶施工 下台阶施工 仰拱施工
    最值/MPa 位置 范围/m 最值/MPa 位置 范围/m 最值/MPa 位置 范围/m
    常岩温 –3.433 拱顶外侧 3.0 –8.472 拱顶外侧 2.0 –11.771 边墙外侧 1.0
    48℃ –3.442 拱腰外侧 1.0 –8.612 拱顶外侧 3.0 –12.367 边墙外侧 4.0
    60℃ –3.510 拱腰/拱顶
    外侧
    1/1 –8.744 拱顶外侧 4.0 –12.952 边墙外侧 4.0
    80℃ –3.622 拱腰/拱顶
    外侧
    2/3 –8.830 拱顶外侧 4.0 –13.283 边墙外侧 4.0
      注:数据正负符号意义为拉正压负,余同.
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    表  7  初期支护应力试验结果

    Table  7.   Primary support stress by test

    断面 左边墙 左拱腰 右拱腰 右边墙 拱顶
    1 0.36 0.80 –5.37 –0.48 0.07
    2 –0.47
    3 0.30 1.68 –5.12 –0.48 0.26
    4 0.37 –0.74 –3.54 –0.53 0.34
      注:“—”表示测试元件损坏.
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-12-04
  • 修回日期:  2017-12-06
  • 网络出版日期:  2018-06-06
  • 刊出日期:  2019-02-01

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