汽车荷载作用下隧洞围岩稳定及应力应变分析

王丹妮 康文军 任小亮

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065；2.中国水利水电建设工程咨询西北有限公司，陕西 西安 710100)

1 工程概况

该水电站位于非洲赞比亚和津巴布韦两国交界的赞比亚西河中游卡里巴峡谷内，水库库容1 840亿m3，为多年调节水库。本次扩机300 MW，扩机电站进水口位于已建成的水库右岸。该隧洞为地下厂房、引水下平段及尾水洞施工支洞，进口位于进厂道路下部，进厂道路为地下厂房开挖主要出渣通道。支洞标准断面8.0 m×7.0 m，进口为Ⅳ类围岩段，上覆岩体厚度约12 m，开挖断面9.2 m×8.1 m。

2 计算条件

2.1 计算内容

出渣车辆需从隧洞顶部通过，车辆为40 t载重汽车，考虑支护结构与围岩岩体介质的相互作用， 将岩体视为弹塑性介质，采用Mohr-Coulomb屈服准则判断围岩在开挖过程中的塑性屈服状态，初始地应力场由重力自动生成，喷混凝土、钢支撑和锚杆采用弹性本构模型。根据隧洞的地形、地质条件，采用有限元软件PHASE2对支洞的结构稳定进行平面有限元计算，分析应力应变分布状态、塑性区分布范围及支护结构受力情况。

2.2 岩体物理力学参数

Ⅳ类围岩物理力学参数建议值见表1。

表1 Ⅳ类围岩物理力学参数建议值

2.3 计算荷载

计算荷载考虑道路顶部汽车荷载和洞顶及侧向围岩压力。

1)汽车荷载。根据GBJ 22—87厂矿道路设计规范，40 t载重汽车计算荷载以车队表示，纵向排列、横向布置按图1所示 。按最不利工况，汽车荷载作用在该隧洞正上方，荷载按照40 t考虑，车辆轴距3.6 m，计算按照均布荷载加载：q=400/2/3.6=55.6 kN/m2。40 t载重汽车平面尺寸和横向布置如图1所示，汽车车队纵向排列如图2所示。

2)围岩压力。围岩压力由软件根据输入的参数自动计算。

2.4 计算模型

有限元计算模型范围左右两侧及底部取隧洞尺寸的3倍以上，模型底部以Z向法向约束，左右两侧以X向法向约束。依据隧洞规模和工程地质条件，以及同等工程类比，拟定支护设计参数：挂网喷混凝土厚度15 cm，钢筋网采用φ6.0钢筋制作，网格间距20 cm×20 cm。钢支撑布置20号工字钢，间距1.0 m。系统锚杆φ25，长度L=4.5 m，间排距1.5 m×1.5 m。结构计算参数如表2所示。

表2 一期支护参数表

采用PHASE2有限元软件建立模型，单元3031，节点5052，挂网喷混凝土与钢支撑组合后共同施加，布设系统锚杆。坐标系X向为水平指向右为正，Z向竖直方向指向上为正。围岩物理力学计算参数均采用建议值的下限值。初始应力场计算模型见图3，一期开挖支护计算模型见图4。本文假定隧洞开挖后围岩应力释放全部由支护措施承担。

3 计算结果及分析

本文主要依据地下洞室群在开挖过程中围岩的应力、变形、塑性区开展深度的分析，对支护方案的有效性做出合理评价。有限元计算分别对初始应力场和隧洞一期支护进行了计算分析。计算结果拉应力为“-”，压应力为“+”。

3.1 初始应力场

初始应力场有限元计算结果：从图5可知，Z向应力最大值达到了0.70 MPa，出现在模型底部。整个应力场以水平层状分布，符合由重力引起的应力场的特征。

3.2 围岩应力应变分析

隧洞一期支护应力应变分析有限元计算结果：见图6～图11。从应力云图可知，隧洞第一主应力最大值达到了0.666 MPa，出现在顶拱拱脚处。第三主应力最大值达到了0.338 MPa，出现在顶拱拱脚处。开挖面支护结构均未出现拉应力。从变形云图可知，围岩临空面的变形不大，水平位移最大1.21 mm，出现在直墙中部，垂直位移最大1.82 mm，出现在底板中部。

塑性区范围见图10，塑性区最大深度在4.3 m范围以内，主要集中在边墙和底板两端部位置，故设置4.5 m长锚杆可控制塑性区的发展。

挂网喷混凝土与钢支撑组合钢衬和锚杆的受力状态见图11，锚杆编号为1～10。表3显示了组合钢衬每个节点的应力承载状态，挂网喷混凝土与钢支撑组合钢衬最大应力为71.75 MPa，小于工字钢20a钢支撑最小允许应力345 MPa。表4显示了每个锚杆的承载状态，锚杆最大应力为59.79 MPa，小于系统锚杆φ25最小允许应力300 MPa。

表3 计算的组合钢衬受力最值表

表4 计算的锚杆拉应力表

4 结语

1)在汽车荷载和围岩应力耦合作用下，该隧洞一期开挖支护的最大压应力均出现在顶拱，无拉应力区。围岩临空面的变形不大，水平位移出现在直墙中部，垂直位移出现在底板中部，应力应变计算结果满足要求。

2)本文假定隧洞开挖后围岩应力释放全部由支护措施承担，将一期支护措施系统锚杆、挂网喷混凝土和钢支撑进行有限元模拟，计算的锚杆拉应力小于允许拉应力，挂网喷混凝土与钢支撑组合受力，满足允许应力要求，围岩塑性区在锚杆长度的控制范围。隧洞实际运行表明，隧洞一期支护措施是合适、有效的，保证了初期隧洞安全运行。