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初探隧道內部能量的計算方法

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初探隧道內部能量的計算方法

1計算模型的建立

采用FLAC3D三維計算軟件,數值模型橫向120m,隧道中心到底部邊界選取40m,共有124800個節點,128979個單元,前、后、左、右及下邊界均為法向位移約束,上邊界采用應力邊界,三維整體網格見圖6。2.2計算參數根據隧道地質勘察報告和現行規范,按抗彎剛度等效原則,將支護的網噴混凝土和鋼拱架作為一個等效體,并采用三維實體單元進行模擬,圍巖與初期支護具體參數如表3所示,選用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型。地應力選取斷面處埋深400m。根據現場實測,隧道中心水頭高度150m。地應力與水頭以梯度形式向四周圍巖變化分布。中風化巖滲透系數為2×10-7m·s-1,從現場開挖實際出發,斷層水平(橫向、縱向)滲透系數與中風化巖滲透系數相同,豎向滲透性大于水平滲透性,豎向滲透系數為1×10-6m·s-1,支護滲透系數為1×10-8m·s-1。

2空隙水壓特征

隨著掌子面推進,待開挖核心土和邊墻圍巖出現高水壓積聚現象,其中掌子面前方比較顯著,易引起圍巖塑性化和失穩。隨著掌子面推進,目標面空隙水壓所示。可以看出,掌子面前方均出現高水壓積聚現象,其中中風化巖與斷層分界面峰值水壓為1.11MPa,位置在掌子面前方12m左右(約1D)。斷層掌子面前方待開挖核心土體的水壓峰值為1.15MPa,位置在掌子面前方20m左右(約1.5D)。因此,建議進行掌子面超前排水,以便釋能降壓,降低其峰值,其有效超前排水距離應不少于水壓峰值出現位置。可采用釋能降壓原理,釋放掌子面前方所存儲的能量,降低水土壓力對隧道的穩定性影響,排水壓力差形成的塑性區貫通,規避施工及運營過程中潛在風險。

3掌子面核心土能量

根據力學原理,應變能密度為.其中,v巖體泊松比,σi(i=1,2,3)為主應力。以目標面為例,掌子面前方待開挖核心土能量密度分布曲線所示。掌子面深部圍巖能量密度出現先增大再減小趨勢,峰值位置為掌子面失穩的潛在區域,孕育巖體失穩關鍵要素。中風化巖與斷層分界面峰值為86.9kJ·m-3,位于掌子面前方約12m。斷層中間位置的能量密度峰值相對較大,為79.5kJ·m-3,也位于掌子面前方12m左右。因此建議掌子面進行超前預加固,其有效范圍為前方12m,即一倍洞跨。

作者:胡磊單位:陜西煤礦鉆洞企業

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