淺埋砂體隧道的開挖與支護(hù)

1、淺埋砂休隧道的開挖與支護(hù)設(shè)汁書淺埋砂體隧道的開挖與支護(hù)設(shè)計(jì)書代表隊(duì)隧道工程組隊(duì)員 專業(yè) 土 木工程指導(dǎo)老師淺埋砂休隧道的開挖與支護(hù)設(shè)汁書一.總體設(shè)計(jì)思路 TOC o 1-5 h z 1.1技術(shù)要求1-111沉降量最小11.1.2承載力最大1113經(jīng)濟(jì)合理11.2設(shè)計(jì)思路-2-二、技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)2-2.1沉降量設(shè)計(jì)-2-22承載力設(shè)計(jì)三.支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)31基于管棚支護(hù)機(jī)理的設(shè)計(jì)-5-311管棚支護(hù)機(jī)理-5- TOC o 1-5 h z 312管棚參數(shù)的確定-5 - HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 3.2基于圍巖壓力的支護(hù)設(shè)計(jì)-7 - HYPERLI

2、NK l bookmark28 o Current Document 3.3基于散粒體理論的支護(hù)設(shè)計(jì)7 - HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 3.4參數(shù)的確定-8-四.主要結(jié)論及不足-9-注埋砂體隧道的開挖與支護(hù)設(shè)計(jì)書一、總體設(shè)計(jì)思路1.1技術(shù)要求針對淺埋砂體隧道的開挖與支護(hù)，主要從開挖后隧道沉降量最小、承載力最 大、經(jīng)濟(jì)合理這三個方面考慮。1.1.1沉降量最小因砂體不穩(wěn)定，在開挖后可能因擾動砂體而使圉巖應(yīng)力重分布，淺埋情況下, 最直觀的表現(xiàn)就是地表沉降。對于砂體隧道，圍巖較為破碎，開挖方法或者支護(hù) 手段不當(dāng)易使得沉降量增加。根據(jù)Peck公式，

3、地層損失的量就是沉降槽的量， 為了有效減小地層損失，同時有效增強(qiáng)支護(hù)能力，就需要保證有一定的超前支護(hù), 采用管棚法是不錯的選擇，通過插入竹簽支撐圍巖，開挖過程中就會山竹簽支撐 地層土體，減小了地層損失，沉降量就會減小，因此從這個角度上來講，竹簽插 入的越多，沉降量應(yīng)該是越小的。112承載力最大試驗(yàn)箱體整體的承載能力是山箱體+砂體+支護(hù)構(gòu)件共同承擔(dān)的，開挖土體 之后，在上部荷載的作用下，支護(hù)結(jié)構(gòu)部位是最為薄弱的環(huán)節(jié)，因此決定承載力 的關(guān)鍵是支護(hù)構(gòu)件的設(shè)置。砂體和支護(hù)構(gòu)件組成的整體共同承擔(dān)上部的荷載，單純從承載能力上講，并 非竹簽插入越多承載力也就越大，究其原因，分析如下：隧道開挖后，隧道兩側(cè)的砂

4、體將承擔(dān)主要的豎向荷載，如果竹簽插入的 量太大，那么竹簽插入部位的整體剛度就較大，則竹簽部位將承受較大的荷載， 荷載的增加可能會增加支護(hù)構(gòu)件破壞的風(fēng)險，因此竹簽并非越多越好；插入的竹簽太少，支護(hù)構(gòu)件拱部的土體可能由于支護(hù)不足而造成失穩(wěn)， 因此在承載力上要求竹簽的數(shù)量不宜太少。1.1.3經(jīng)濟(jì)合理隧道的修建還要考慮到成本的問題，在保證技術(shù)要求的情況下，成本最低是注埋砂體隧道的開挖與支護(hù)設(shè)計(jì)書較為理想的方案，因此，從這個角度上將，要盡量的減少竹簽的數(shù)量。1.2設(shè)計(jì)思路根據(jù)以上的分析可知，在沉降量指標(biāo)上，要求竹簽夠多，在經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)上， 要求竹簽盡量少，而承載力指標(biāo)上則要求竹簽不宜太多也不宜太少。因此，

5、總的設(shè)計(jì)思路上來講，就要在滿足沉降量指標(biāo)和承載力指標(biāo)的情況下, 竹簽足夠少。1 沉降量指標(biāo)根據(jù)Peck公式的相關(guān)內(nèi)容，同時結(jié)合砂體的情況，通過PFC軟件進(jìn)行訃算 砂體不漏的最大間距，以確定最小的竹簽量；承載力指標(biāo)采用彈簧模擬，定性說明支護(hù)剛度對承載力的影響關(guān)系，確定竹簽量。二、技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)2.1沉降量設(shè)計(jì)細(xì)沙山于具有結(jié)構(gòu)松散，粘聚力低或無粘聚力、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)，在細(xì)沙 中建造隧道時，增強(qiáng)圉巖自承能力以及施工當(dāng)中防沙漏現(xiàn)象是設(shè)訃、施工時的關(guān) 鍵。本隧道細(xì)沙地層釆用豎直鉆孔插入竹簽對隧道周圉巖進(jìn)行加固，加固后施工 當(dāng)中基本沒有出現(xiàn)漏砂現(xiàn)象，初期支護(hù)沉降得到較好的控制，開挖安全性得到了 保證，開挖

6、進(jìn)度也大大提高。在此采用Peck經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：橫向地表沉降曲線與peck公式或一系列修正的peck公式所給出的地表沉降 曲線吻合較好，沉降曲線可近似為正態(tài)分布曲線。淺埋砂休隧道的開挖與支護(hù)設(shè)汁書圖1-1地表橫向沉降槽預(yù)測示意圖H + R(2-1)(2-2)S(max) =/2tan45* -yS(max) =(2-3)冰絲 tan(45#)(2-4)式中：H為覆土厚度;R為計(jì)算半徑。地表沉降曲線的反彎點(diǎn)i位于距中線（0.81.6） D （D為開挖跨度）處，隨 著所處圍巖類別的提高而向中線靠攏，影響范圉隨之減少；橫向影響范圍約為 5i,則H=0.12m； R=0.055mo經(jīng)過計(jì)算，地層沉降

7、量與地層損失量的關(guān)系見表1所示。表1地層沉降量與地層損失量的關(guān)系表地層沉降量Smax地層損失量VI1.000.0800635722.000.1601271443.000.2401907154.000.3202542874淺埋砂休隧道的開挖與支護(hù)設(shè)汁書5.000.4003178596.000.4803814317.000.5604450038.000.6405085749.000.72057214610.000.80063571811.000.8806992912.000.9607628622-2承載力設(shè)計(jì)如圖1所示對裝滿沙子的箱子進(jìn)行加載，其上部加載荷載按45。向下進(jìn)行擴(kuò) 散，對其進(jìn)行受力分析

8、可以得出結(jié)論，要使其承載力越大，其承載力應(yīng)山隧道兩 側(cè)沙子分擔(dān)大部分荷載，即隧道兩側(cè)沙子的承載力大。可以取a-a截面進(jìn)行分析（a-a截面為隧道頂面的橫截面），建立彈簧模型, 如圖2所示。注埋砂體隧道的開挖與支護(hù)設(shè)計(jì)書illr A/bf2flf2圖2 aa截面彈簧模型圖根據(jù)對上述兩個模型的分析，可以得到如下結(jié)論：因?yàn)椋▔嚎s沉降量）一定，可由公式2f/k推出Gfl/kXfZS;乂因?yàn)橐蛊涑休d力大，所以兩側(cè)的沙子支撐力f2要大；又因?yàn)閒2fl,所以k2kl ；山此可以得出結(jié)論，要使其承載力越大，則隧道頂點(diǎn)的剛度要小，即超詢支 護(hù)要少（管棚少）。支護(hù)參【設(shè)計(jì)3.1基于管棚支護(hù)機(jī)理的設(shè)計(jì)管棚超前支護(hù)法

9、就是在隧道開挖之前，沿著隧洞開挖斷面外輪廓，以一定間 隔與隧洞軸線平行鉆孔、插入竹簽，以加強(qiáng)竹簽周邊圉巖的自穩(wěn)能力，并使竹簽 與圉巖形成一體，由管棚和圍巖構(gòu)成棚架體系，形成梁式結(jié)構(gòu)共同受力，以防止 圍巖的松弛和崩塌。3.1.1管棚支護(hù)機(jī)理梁拱效應(yīng)管棚因前后兩端嵌入隔砂紙板中行成縱向支撐梁；可以有效抑制砂子的泄 漏。環(huán)向通過隧道自成拱達(dá)到對上端砂壓力及外界作用力分散形成應(yīng)力流。二者 構(gòu)成環(huán)繞隊(duì)洞輪廊的厚筒狀結(jié)構(gòu)，可有效抑制圍巖松動和跨塌。強(qiáng)化巖體效應(yīng)注埋砂體隧道的開挖與支護(hù)設(shè)計(jì)書通過插入竹簽對細(xì)砂的擠壓可以對細(xì)砂有壓實(shí)作用，減小砂間孔隙度，從而 提高巖體彈性模量和強(qiáng)度。管棚作超前支護(hù)，其后緊跟永

10、久支護(hù)，施工人員作業(yè)場所較安全。3.1.2管棚參數(shù)的確定竹簽間距的影響因素較多，主要取決于：地質(zhì)條件（包括圍巖松散情況、粒徑、密度等）；管棚長度；管棚布置位置及形式；鉆孔精度及鉆孔的彎曲程度。隧道圍巖為V級，一般情況下，竹簽的最小凈間距xl為xl二KL,式中K為 鉆孔施工精度，通常在鉆孔施工長度的1/600-1/250范圍內(nèi)，L為管棚長度0.12m。 竹簽的最小中心間距x2為x2=xl+D,式中D為竹簽直徑0.15mm。一般情況下, 竹簽的布置間距應(yīng)該大于x2,并且為竹簽直徑的2.03.5倍。根據(jù)地形地質(zhì)以及 荷載情況管棚采用圓形布置，如圖3所示。淺埋砂休隧道的開挖與支護(hù)設(shè)汁書32基于圍巖壓力

11、的支護(hù)設(shè)計(jì)淺埋悄況下，圍巖圧力可根據(jù)泰沙基公式確定，當(dāng)埋深較小時泰沙基公式可簡化為& _ 7 + % tan(45。_ 2)_ c2 tan (p(3-1)式中：a隧道開挖寬度的1/2；/圉巖重度；(P內(nèi)摩擦角;c粘聚力；右一一洞室開挖高度；A側(cè)壓力系數(shù)。1.荷載的確定已知 / = 17.2kN/m c=0, (p = 32 , hx =1 lcm a=5.5cm 2=0.82,分別代入式(31),計(jì)算得： TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark22 o Current Document p = 2.7x10 心 MPa(3-2)根據(jù)工程實(shí)際計(jì)算竹簽最不利受力段的

12、長度值為0.12m。單位寬度內(nèi)的荷載 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 0 = p = 2.7 x 103 MPa in(3-3)最大彎矩 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document Afmax = o)/2/8 = 2.7x 103 pa mx0.122/?r +8 = 486Nm(3-4)根據(jù)筷子的強(qiáng)度計(jì)算，可以得到筷子的最小間距為2mmo3.3基于散粒體理論的支護(hù)設(shè)計(jì)根據(jù)相關(guān)散粒體對錨桿間距的研究結(jié)論：采用細(xì)觀數(shù)值模擬方法研究散粒 體的錨固效應(yīng)，基于隨機(jī)模擬技術(shù)生成三維多面體顆粒及其在空間中的分布，

13、在 隨機(jī)散粒體不連續(xù)變形模型的基礎(chǔ)上將礫石錨固試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值實(shí)現(xiàn)，分析加錨散注埋砂體隧道的開挖與支護(hù)設(shè)計(jì)書粒體材料的宏觀與細(xì)觀力學(xué)性能，研究加錨密度及其與顆粒粒徑的關(guān)系對散粒體 力學(xué)性質(zhì)的影響，并探討錨桿在散粒體材料中的作用機(jī)制。分別建立不同錨桿間 距和不同顆粒粒徑的數(shù)值試樣，數(shù)值模擬結(jié)果表明：散粒體錨固數(shù)值試驗(yàn)?zāi)軌蜉^ 好地反映不同加錨散粒體結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律與錨固效應(yīng)：散粒體材料的宏觀特性與 其細(xì)觀組構(gòu)的演化密切相關(guān)；錨桿加固散粒體的作用機(jī)制為加錨散粒體內(nèi)形成丿k 縮區(qū)，擠壓加固作用提高了散粒體間的接觸作用力，散粒體結(jié)構(gòu)的整體性得到加 強(qiáng)并能承受一定荷載；不考慮錨桿長度的情況下，當(dāng)錨桿間距小于3倍

14、的散粒體 平均粒徑時，錨桿能夠有效地加固散粒體形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。經(jīng)過PFC軟件的訃算, 也驗(yàn)證了以上的結(jié)論，如圖4所示。圖4PFC模型圖3.4參數(shù)的確定根據(jù)上面的訃算及分析，綜合各種因素，可以得出兩個竹簽間的最大的距離Smax=2mm。注埋砂體隧道的開挖與支護(hù)設(shè)計(jì)書四、主要結(jié)論及不足根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了以沉降量和承載力指標(biāo)作為主要控制指標(biāo), 輔以經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的設(shè)訃思路：通過對技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì)，提出了確定支護(hù)參數(shù)的方法；結(jié)合管棚支護(hù)機(jī)理、圍巖壓力和散體理論，確定了竹簽的最大間距。主要不足就在于對相關(guān)學(xué)科的認(rèn)識還有些不足，軟件操作能力有限，設(shè) 計(jì)仍然有很大的提高空間。參考文獻(xiàn)1 TB 10003-2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范S2 TB 10204-20