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初探隧道内部能量的计算方法

初探隧道内部能量的计算方法

1计算模型的建立

采用FLAC3D三维计算软件,数值模型横向120m,隧道中心到底部边界选取40m,共有124800个节点,128979个单元,前、后、左、右及下边界均为法向位移约束,上边界采用应力边界,三维整体网格见图6。2.2计算参数根据隧道地质勘察报告和现行规范,按抗弯刚度等效原则,将支护的网喷混凝土和钢拱架作为一个等效体,并采用三维实体单元进行模拟,围岩与初期支护具体参数如表3所示,选用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型。地应力选取断面处埋深400m。根据现场实测,隧道中心水头高度150m。地应力与水头以梯度形式向四周围岩变化分布。中风化岩渗透系数为2×10-7m·s-1,从现场开挖实际出发,断层水平(横向、纵向)渗透系数与中风化岩渗透系数相同,竖向渗透性大于水平渗透性,竖向渗透系数为1×10-6m·s-1,支护渗透系数为1×10-8m·s-1。

2空隙水压特征

随着掌子面推进,待开挖核心土和边墙围岩出现高水压积聚现象,其中掌子面前方比较显著,易引起围岩塑性化和失稳。随着掌子面推进,目标面空隙水压所示。可以看出,掌子面前方均出现高水压积聚现象,其中中风化岩与断层分界面峰值水压为1.11MPa,位置在掌子面前方12m左右(约1D)。断层掌子面前方待开挖核心土体的水压峰值为1.15MPa,位置在掌子面前方20m左右(约1.5D)。因此,建议进行掌子面超前排水,以便释能降压,降低其峰值,其有效超前排水距离应不少于水压峰值出现位置。可采用释能降压原理,释放掌子面前方所存储的能量,降低水土压力对隧道的稳定性影响,排水压力差形成的塑性区贯通,规避施工及运营过程中潜在风险。

3掌子面核心土能量

根据力学原理,应变能密度为.其中,v岩体泊松比,σi(i=1,2,3)为主应力。以目标面为例,掌子面前方待开挖核心土能量密度分布曲线所示。掌子面深部围岩能量密度出现先增大再减小趋势,峰值位置为掌子面失稳的潜在区域,孕育岩体失稳关键要素。中风化岩与断层分界面峰值为86.9kJ·m-3,位于掌子面前方约12m。断层中间位置的能量密度峰值相对较大,为79.5kJ·m-3,也位于掌子面前方12m左右。因此建议掌子面进行超前预加固,其有效范围为前方12m,即一倍洞跨。

作者:胡磊单位:陕西煤矿钻洞企业