山区长输管道工程设计中隧道构造计算方法论文.docx

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1、山区长输管道工程设计中隧道构造计算方法论文山区长输管道工程设计中隧道构造计算方法论文在山岭地区，油气管道采用隧道方式穿越，同管道顺山势敷设方式通过相比，隧道构造穿越克制了高程和地形障碍，降低了管线施工难度，具有管道敷设位置稳定、安全可靠、落差小、距离短、弯头弯管小、管线安装容易，征租地少、无须水工保护设施、减少对自然环境、植被的毁坏、方便生产管理等优点。本文就隧道构造的几种设计计算方法讨论如下：1构造力学方法1.1荷载构造模型的建立显然，只要施工经过不能使支护构造和周围的岩石保持严密的连接，有效地阻止围岩变形和松弛的压力，隧道的支护构造应根据荷载构造模型检验。荷载构造模型是由岩体和坍塌毁坏引起

2、的竖向和侧向活动压力的主要特征。但也有一些不同的方法来处理周围的岩石和支撑构造之间的互相作用：有源负载模型在不考虑围岩与支护构造互相作用的经过中，在活动荷载作用下，支撑构造能够在活动荷载作用下变形、计算原理和构造的作用。该模型主要用于围岩和支护构造的“刚度比的情况下，软弱围岩没有“能力来约束刚性衬砌的变形。有源负载加上围岩的弹性约束的模型图1-1b。围岩不仅适用于支护构造，而且还由于围岩与支护构造互相作用。由于在非均匀分布的影响下，一部分支撑构造会发生对围岩变形的影响，只要周围岩层具有一定的刚度，就有必要对变形的构造进行支撑，这就是所谓的弹性阻力，属于被动性。支撑构造的另一部分是从围岩变形的隧

3、道中，不会引起弹性阻力，构成所谓的“走出去。对于类模型，只要确定了作用在支护构造上的主动荷载，其余问题用构造力学的一般方法(如力法、位移法)即可解决。对于类模型，除了上述的主动荷裁外，尚需解决围岩的弹性抗力问题。在围岩上引起的弹性抗力的大小，目前常用以“温克列尔(Winkler)假定为基础的局部变形理论来确定。它以为围岩的弹性抗力是与围岩在该点的变构成正比的，用公式表示为：i=Ki式中的i为围岩外表上任意一点所产生的弹性抗力；i为围岩在同一点i的压缩变形；K为比例系数，称为围岩的弹性抗力系数。弹性阻力的大小和分布取决于支护构造的变形，支护构造的变形与弹性阻力有关。按类模型的内力是一个非线性问题

4、，采用迭代方法或线性假设是必要的。1.2李宁隧道构造受力和变形特性隧道衬砌在围岩压力下产生变形。在隧道拱顶中，围岩变形是不受围岩约束的，称为“拆离带；围岩变形受围岩变形影响。因而，隧道衬砌构造的围岩变形的双重作用：既有积极的围岩压力，使衬砌构造变形，又能防止被动抵抗构成对衬砌构造的变形。这种效果的前提是，周围的岩石和隧道衬砌必须充分和密切接触。1.3支护构造的计算方法在荷载构造模型中，分析计算的对象是支护构造，即衬砌。因而，要根据衬砌的受力特点，进一步研究它的力学模拟和计算图式的问题。由于隧道长度较之横断面尺寸要大得多，而且，又假设荷载和构造特性沿隧道长度方向是不变的，因而，能够以为隧道衬砌不

5、会产生纵向位移，即处于平面变形状态。1.4主动荷载形式1.4.1弹性固定的无铰拱适用于这类计算形式的常有半衬砌。先拱后墙施工时，做好的拱圈在隧洞口前的工况就是这种半衬砌。这种拱圈的拱脚支承在弹性围岩上，故称弹性固定无铰拱。半衬砌拱拱升跨比一般小，当竖向荷载作用下，多数情况下，拱环是内部的隧道变形，弹性阻力。1.4.2圆形衬砌修建在软土地层中的圆形衬砌，也经常按主动荷载形式进行构造计算。承受的荷载主要有土压力、水压力、构造自重和与之相平衡的地基反力。1.5主动荷载加被动荷载形式1.5.1假定抗力图形该法的计算特点是假定抗力的分布范围的分布规律，如上、下零点和最大值的位置。而抗力的最大值和构造由主

6、动荷载与被动荷载共同作用在该点产生的变位有关。因而这是一个非线性问题。只要能附加一个最大抗力点的抗力与其位移成正比为条件列出的方程即可求出最大抗力值和冗力。将主动荷载与被动荷载求出的内力值进行叠加，即为构造内力。1.5.2局部变形地基梁法局部变形地基梁法，由于拱形直墙衬砌内力的特点，将拱圈和边墙分为两个单元分别进行计算，在各自的计算中考虑互相影响。计算中拱圈视为弹性固定无铰拱，边墙视为双向弹性地基梁。拱圈和边墙受力变形的互相影响，表现为计算拱圈时，拱脚的变位应取边墙墙顶的变位，计算边墙时，墙顶的初始条件与拱脚的内力和变位一致。2岩体力学方法由于当代隧道施工技术的发展，可在隧道开挖后及时地给围岩

7、以必要的约束，抑制其变形，阻止围岩松弛，不使其因变形过度而产生松动压力。此时，开挖隧道而释放的围岩应变能将由围岩和支护构造所组成的构造体系共同承当，隧道构造体系产生应力重新分布而到达新的平衡状态。在隧道在构造体系中，一方面，围岩具有一定的支护力，这是由应力调整引起的，进而到达了新的稳定；另一方面，由于支护构造能防止围岩变形，因而必须对围岩进行一个变量的调整。这种反响力和周围岩石的松动压力是非常不同的，它是支护构造和围岩变形经过中的支撑压力，它能够称之为“变形压力。目前对于这种模型求解方法有分析方法、数值法、特征曲线法三种。2.1分析方法根据给定的边界条件，该方法直接求解了平衡方程、几何方程和物

8、理方程。这是一个弹塑性力学问题，求解时，假定围岩为无重平面，初始应力作用在无穷远处，并假定支护构造与围岩密贴，即其外径与隧道的开挖半径相等，且与开挖同时霎时完成。由于数学上的困难，如今还只能对少数几个问题(例如圆形隧道)给出详细解答。2.2数值方法对于复杂的隧道，十分是围岩的非线性特性，必须采用数值计算方法。该方法主要是指将有限元法分为围岩和支护构造，然后根据能量原理建立了整个系统的虚拟工作方程，也称为刚度方程，进而系统对各节点的位移和应力的单位。隧道构造体系有限元分析的一般步骤为：构造体系离散化(包括荷载的离散化)、单元分析(构成单元刚度矩阵)、整体分析(构成总体刚度矩阵)、求解刚度方程(求

9、节点位移)、求单元应力。2.3特征曲线法特征曲线法也称为“收敛约束法，是用围岩的支护需求曲线和支护构造的补给曲线以求得到达稳定状态时支护构造的内力。特征曲线法的基本原理是：隧道开挖后，如无支护，围岩必然产生向隧道内的变形(收敛)。施加支护以后，支护构造约束了围岩的变形(约束)，此时围岩与支护构造共同承受围岩挤向隧道的变形压力。3基于围岩分类的经历设计方法在大多数情况下，隧道的支持系统还取决于“体验设计，并在施行经过中，根据信息量进行修改和验证。实证设计的前提是正确对隧道围岩进行分类，然后根据典型图的支护构造分类体系。3.1对隧道围岩要有正确的分级对隧道围岩要有一个正确的分级，这些分级是根据地质

10、调查结果，为隧道单独编制的；大体上把隧道围岩分为四个基本类型。即：完好、稳定岩体；易破碎、剥离的块状岩体；有地压作用的破碎岩体；强烈挤压性岩体或有强大地压的岩体。3.2参数的选用在各类岩体中，支护构造参数大体是按下述原则选用的：完好，稳定的岩体：锚杆长1.5m，根数n=45根/m左右，从力学上看是不等待锚杆的，围岩本身强度就能够支护坑道，但因有局部裂隙或岩爆等，用其加以构造控制罢了。喷混凝土用于填平补齐，为确保洞内安全作业应设金属网防止顶部岩石剥离。易破碎、剥离的块状岩体：这类岩体范围较广，还可细分为若干亚类。锚杆长1.53.5m，n=10根/m左右，多数情况是长、短锚杆配合使用，短锚杆用胀壳

11、式，长锚杆用胶结式。喷层厚010cm，稳定性好些的用来填平补齐，可以只在拱部喷射，此时开挖正面无须喷射。金属网与同，特殊情况要采用可缩性支撑或轻型格栅钢支撑。二次衬砌厚度约3040cm，包括喷层在内约40cm就能够了。有地压作用的破碎岩体：锚杆长3.04.0m，有时用6.0m的全面胶结式，n=10根/m左右，这种围岩视单轴抗压强度与埋深压力的比值，估计有塑性区发生时，从控制它的发展看，锚杆必须用喷混凝土等加强。喷层厚约1520cm(拱部和侧壁)，视岩体破碎情况正面也要喷3cm左右。开挖进度要注意，必要时控制在1m下面。二次衬砌厚度，包括喷层在内为4050cm，尽可能薄些。强烈挤压性岩体或有强大

12、地压的岩体：在这种围岩中施工是很困难的，要分台阶施工，限制分部的面积。锚杆长4.06.0m，n=15根/m左右。喷层厚2025cm，正面喷35cm。必须采用可缩性支撑，间距约75cm。二次衬砌厚度按50cm考虑。在30天以内断面要闭合，即要修好仰拱。3.3爆破技术的控制在施工中应尽量少损害围岩，使其尽量保持原有岩体的强度，因而，应采用控制爆破技术。3.4开挖面的全面防护估计有大变形和松弛的情况下，开挖面要全面防护(包括正面)，使之有充分的约束效应，在分台阶开挖时，上半断面进深不宜过长，以免影响整个断面的闭合时间。3.5防水层二次衬砌通常是模筑的，在内衬防水层的组合中，构成防水层。内衬变薄，可减

13、少弯矩，弯曲失效可降至最低。3.6岩石变形的作用允许甚至希望，岩石变形，以减少需要完成的配套措施，这些防护措施包括衬砌，必要时加上抑拱以及附在或深化到不稳定岩层内部的锚固系统，或其他构造构件。4监控设计方法由于地下构造的受力特点极其复杂，近年来，在铁路隧道的测量、监测、围岩及支护构造的监测和现场监测结果的研究中，对一些工程进行了改良设计和指导施工。而现场测量与工程地质、力学分析严密结合，正在逐步构成一套完好的信息设计原则和方法。信息设计通常包括两个阶段：施工前预设计阶段和修正设计阶段。施工前预设计是在认真研究勘测资料和地质调查成果的基础上，应用工程类比法进行；该校正设计是基于现场监测测量所获得

14、的信息，进行了理论分析和数值分析，对围岩与支护构造稳定性作出综合判定，得出最终合理的设计参数与施工对策。信息设计的主要环节包括：现场监测、数据处理、信息反应三个方面。现场监测包括：制定监测方案、确定测试内容、选择测试手段、施行监测计划。数据处理包括：原始数据的整理、明确数据处理的目的、选择处理方法、提出处理结果。信息反应包括：反应方法(理论反应与经历反应)和反应的作用(修正设计与指导施工)。5结束语通过以上几种计算方法的表述，能够看出各有特点，故而，在工程设计中，我们常可同时采用两种或两种以上的方法，通过横向比拟、综合分析，得到更为全面、精准的数据，为山区管道工程项目，提供理论支撑。【山区长输管道工程设计中隧道构造计算方法论文】