隧道地下风机房洞室群围岩稳定性三维有限元模拟

第 32 卷 第 6 期 2012 年 11 月 西 安 科 技 大 学 学 报 JOURNAL OF XI’AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol． 32 No. 6 Nov. 2012 文章编号:1672 － 9315(2012)06 － 0702 － 05 隧道地下风机房洞室群围岩稳定性三维有限元模拟 ＊ 张世清 (陕西煤业化工建设集团，陕西 西安 710021) 摘 要:采用有限元软件 MIDAS建立隧道地下风机房洞室群的三维计算模型，对隧道地下风机房 洞室群的关键部位的稳定性和施工过程进行了分析，研究表明:各个支洞与隧道的交叉处以及各 个支洞的顶部的围岩出现大范围的拉应力，拱顶的沉降值和拱底的隆起值比较大，建议在支洞与 隧道交叉处应加强支护;通过对洞室群并列洞室施工过程的分析，得到隧道地下风机房洞室并列 施工时相互影响很小。 关键词:洞室群;围岩稳定性;有限元模拟;交叉口 中图分类号:U 453． 2 文献标志码:A 0 引 言 特长公路隧道因通风的需要，一般将设置斜井或竖井将隧道通风分为数段［1］。在连接斜井或竖井和 正洞之间，一般设置地下风机房，来放置通风机械和将送风道与排风道分开［2 － 3］。地下风机房洞室群一般 包括:联络排风通道、联络送风通道、运输通道、人行通道、设备房，这些洞室与正洞相贯通，具有断面多、 跨度大、结构复杂、洞室交叉多、洞室间距较小，传统的计算分析 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 无法计算［4 － 7］，因此，设计与施工过程 的隧道地下风机房洞室群围岩的稳定性是工程难点［8 － 9］。开展洞室群施工过程中的稳定性 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 对于安全 施工具有重要价值，有限元法已经成为地下洞室围岩群围岩稳定性分析的有力手段［10 － 12］。 1 工程概况 某高速公路上的中条山隧道设计有 2 条行车主洞，单条隧道长近 9． 67 km，隧道最大埋深 681 m，属深 埋特长公路隧道。隧道右线采用竖井 +斜井分 3 段送排风加射流风机纵向式通风，隧道左线采用单竖井 送排风加射流风机纵向式通风。在连接斜井或竖井和正洞之间，都设置地下风机房，来放置通风机械并 将送风道与排风道分开。 1#斜井与正洞之间设置的地下风机房洞室群埋深为 429 ～ 479 m．主要由中元古界长城系汝阳群北大 尖组、崔庄组、洛峪口组、中元古界蓟县系洛南群龙家园组、下古生界寒武系下统关口组、朱砂洞组组成; 北大尖组石英砂岩与页岩互层，崔庄组为页岩，洛峪口组为白云岩，龙家园组为硅质条带灰岩白云岩，关 口组为石英砂岩，朱砂洞组为硅质条带灰岩白云岩。根据勘察报告显示，此处围岩等级为 3 级。地下风 机房洞室群主要包括:排、送风通道、设备房、运输通道、人行通道，其布置如图 1 所示。 2 地下风机房洞室群有限元模型的建立 依据中条山隧道地下风机房洞室群所在位置的工程地质特征和纵断面图，利用 MIDAS 有限元软件， 建立三维有限元数值模型。 2． 1 参数选取 * 收稿日期:2012 － 08 － 08 基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金(20096121110004) 作者简介:张世清(1965 －) ，男，内蒙五原人，高级工程师，主要从事煤矿建设与管理工作． 第 6 期 张世清:隧道地下风机房洞室群围岩稳定性三维有限元模拟 图 1 地下风机房洞室群布置图(单位:cm) Fig． 1 Arrangement plan of underground fan room cavern group 表 1 围岩及支护结构物理力学参数 Tab． 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and supporting structure 名称 E /GPa μ  /(°) c /MPa γ /kN·m －3 围岩 7． 1 0． 3 39 0． 5 23． 5 喷射混凝土(C25) 23 0． 2 23 锚杆 2 0． 26 78 备注:初期支护中型钢拱架，根据抗压刚度相等的原则，将钢架的弹性模量折算到喷 射混凝土衬砌的弹性模量。 依据隧道工程地质报告和《JT- GD70 － 2004 公路隧道设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 》［2］， 最终选取的围岩物理力学参数和支护 结构物理力学参数见表 1。 2． 2 计算模型的建立 根据弹塑性理论和工程类比［3 － 6］， 计算模型范围的选取通常根据隧道的 跨度和高度确定。数值计算模型边界 取长 190 m，宽 125 m，高 75 m．边界条 件是:模型的上部为自由边界;左右边界分别受到 X轴方向的位移约束;模型的前后受到 Y轴方向的位移 约束;模型的底层下部边界受到 Z轴方向的位移约束，以自重应力场为初始应力场。 图 2 数值计算模型 Fig． 2 Numerical model (a)三维计算模型 (b)内部结构 图 3 特征断面的选取 Fig． 3 Selection of feature section 3 数值计算结果分析 3． 1 支洞与隧道交叉处围岩分析 隧道地下风机房洞室群的洞室相互交叉多，交叉处的围岩多次扰动，是洞室群稳定的关键部位，所以 在分析洞室群的稳定性的时候，支洞与隧道交叉处的应力、位移为研究对象。图 3 中 1 － 1 剖面位于支洞 与隧道交叉处。 3． 1． 1 应力场分析 从图 4 可知，在各个支洞与隧道的交叉处，除人行通道外，各个支洞的顶部均出现拉应力，拉应力的 最大值为 0． 11 MPa，隧道的拱底出现大范围的拉应力。各个支洞的起拱线处出现应力集中区域，最大压 应力出现在联络排风道的起拱线处，其值为 33 MPa． 307 图 4 支洞与隧道交叉处最大主应力(kPa) Fig． 4 Maximum principal stress in the intersection of branch tunnel and tunnel 3． 1． 2 位移分析 从图 5 可知，支洞与隧道交叉处开挖后，最大的垂直位移出现在交叉处的顶部区域，其值为 19． 73 mm，联络排风道与隧道交叉处的顶部出现最大垂直位移的区域比较大。支洞的断面越大，支洞与隧道交 叉处最大垂直位移影响范围越大。 图 5 支洞与隧道交叉处垂直位移(m) Fig． 5 Vertical displacement in the intersection of branch tunnel and tunnel 综上，通过对支洞与隧道交叉处围岩的应力和位移的分析，可以看出在各个支洞与隧道的交叉处，除 人行通道外，各个支洞的顶部的围岩出现大范围的拉应力，拱顶的沉降值和拱底的隆起值都比较大，所以 在支洞与隧道交叉处应加强支护措施，并增加监控量测的频率，确保施工安全。 3． 2 并列洞室开挖的相互影响 为了分析隧道地下风机房并列洞室的施工是否存在相互影响，选取运输通道 Y1 和联络送风道的施 工时，联络排风道的拱顶、左右拱腰的位移变化作为研究对象。联络排风道的拱顶、左右拱腰的位移路径 为从联络排风道与设备房的交叉口为起始点，沿联络排风道轴线延伸 35 m 至联络排风道与隧道的交叉 口。 图 6 支洞的开挖引起联络排风道 拱顶位移下沉变化曲线图 Fig． 6 Vault displacement subsidence change curve of connection exhaust duct caused by the branch tunnel excavation 图 7 支洞的开挖引起联络排风道 右拱腰水平位移变化曲线图 Fig． 7 Right spandrel horizontal displacement change curve of connection exhaust duct caused by the branch tunnel excavation 407 西 安 科 技 大 学 学 报 2012 年 第 6 期 张世清:隧道地下风机房洞室群围岩稳定性三维有限元模拟 图 8 支洞的开挖引起联络排风道 左拱腰水平位移变化曲线图 Fig． 8 Left spandrel horizontal displacement change curve of connection exhaust dust caused by the branch tunnel excavation 从图 6 ～ 8 可知，运输通道 Y1 的开挖对联络排风道的位移 变化没有影响。联络送风道开挖后，联络排风道的拱顶位移下 沉值、拱腰水平位移的收敛值都大，但是增大值很小。 从地下风机房洞室群的整体布局来看，运输通道 Y1 与联 络排风道的距离大于 2． 5 D，联络送风道与联络送风道的距离 在 2 ～ 2． 5 D范围内。此隧道地下风机房相邻洞室之间的距离 都大于 2 D，所以认为此隧道地下风机房洞室群并列洞室施工 时，相互影响很小。 4 结 论 1)通过应用有限元软件 MIDAS建立隧道地下风机房洞室 群的三维模型，对隧道地下风机房洞室群的关键部位的稳定性 和施工过程进行了分析，由于充分的考虑了主要的洞室结构、开挖与支护 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 、岩体力学参数，因此，计算 结果能够较好地反映工程实际。 2)通过对支洞与隧道交叉处围岩的应力和位移分析，得出各个支洞与隧道的交叉处，除人行通道外， 各个支洞的顶部的围岩出现大范围的拉应力，拱顶的沉降值和拱底的隆起值都比较大，所以在支洞与隧 道交叉处应加强支护措施，确保施工安全。 3)通过对运输通道 Y1 和联络送风道开挖引起联络排风道的拱顶、左右拱腰的位移变化的研究，得 出此隧道地下风机房洞室群并列洞室施工时，相互影响很小。 参考文献 References ［1］ 辛国平，刘汉红．高速公路隧道地下风机房施工技术［J］．现代隧道技术，2008(增) :462 － 465． XIN Guo-ping，LIU Han-hong． Construction technology of highway tunnel underground fan room［J］． Modern Tunnelling Tech- nology，2008(Suppl．) :462 － 465． ［2］ JTG D70 － 2004．公路隧道设计规范［S］． JTG D70 － 2004． Code for design of highway tunnel［S］． ［3］ 围 峰．冠山隧道施工动态监测与有限元仿真模拟析［D］．杭州:浙江大学，2007． WEI Feng． Crown mountain tunnel construction dynamic monitor and finite element simulation analysis［D］． Hangzhou:Zhe- jiang University，2007． ［4］ 石 坚，丁 伟，赵 宝．隧道开挖过程的数值模拟与分析［J］．铁道建筑，2010(2) :21 － 24． SHI Jian，DING Wei，ZHAO Bao． Numerical simulation of tunnel excavation process and analysis［J］． Railway construction， 2010(2) :21 － 24． ［5］ 唐 伟，张红薇．浅埋偏压双连拱隧道施工顺序的有限元数值模拟分析［J］．铁道 标准 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技 大 学 学 报 2012 年 * Corresponding author:ZHANG Shi-qing，Senior Engineer，Xi’an 710021，P． R． China，Tel:0086 － 13909255136，E-mail:zsqcc@ 163． com