初探隧道內(nèi)部能量的計算方法

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1計算模型的建立

采用FLAC3D三維計算軟件，數(shù)值模型橫向120m，隧道中心到底部邊界選取40m，共有124800個節(jié)點(diǎn)，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(yīng)力邊界，三維整體網(wǎng)格見圖6。2．2計算參數(shù)根據(jù)隧道地質(zhì)勘察報告和現(xiàn)行規(guī)范，按抗彎剛度等效原則，將支護(hù)的網(wǎng)噴混凝土和鋼拱架作為一個等效體，并采用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，圍巖與初期支護(hù)具體參數(shù)如表3所示，選用Mohr－Coulomb彈塑性本構(gòu)模型。地應(yīng)力選取斷面處埋深400m。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，隧道中心水頭高度150m。地應(yīng)力與水頭以梯度形式向四周圍巖變化分布。中風(fēng)化巖滲透系數(shù)為2×10－7m·s－1，從現(xiàn)場開挖實(shí)際出發(fā)，斷層水平(橫向、縱向)滲透系數(shù)與中風(fēng)化巖滲透系數(shù)相同，豎向滲透性大于水平滲透性，豎向滲透系數(shù)為1×10－6m·s－1，支護(hù)滲透系數(shù)為1×10－8m·s－1。

2空隙水壓特征

隨著掌子面推進(jìn)，待開挖核心土和邊墻圍巖出現(xiàn)高水壓積聚現(xiàn)象，其中掌子面前方比較顯著，易引起圍巖塑性化和失穩(wěn)。隨著掌子面推進(jìn)，目標(biāo)面空隙水壓所示。可以看出，掌子面前方均出現(xiàn)高水壓積聚現(xiàn)象，其中中風(fēng)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(jìn)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(yīng)不少于水壓峰值出現(xiàn)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(wěn)定性影響，排水壓力差形成的塑性區(qū)貫通，規(guī)避施工及運(yùn)營過程中潛在風(fēng)險。

3掌子面核心土能量

根據(jù)力學(xué)原理，應(yīng)變能密度為．其中，v巖體泊松比，σi(i=1，2，3)為主應(yīng)力。以目標(biāo)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(xiàn)先增大再減小趨勢，峰值位置為掌子面失穩(wěn)的潛在區(qū)域，孕育巖體失穩(wěn)關(guān)鍵要素。中風(fēng)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(jìn)行超前預(yù)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(yè)