¿El principio de simulación del proceso de construcción del nuevo método austriaco del túnel Liangchakou y el método de construcción de la roca circundante de Clase III?
1 Descripción general del proyecto
El túnel Liangchakou es una autopista de dos vías y cuatro carriles con una distancia libre pequeña y está ubicada a 4 kilómetros al oeste de la ciudad de Jishou. La longitud desde el hoyo izquierdo hasta las estaciones números ZK2767 ~ ZK3280 es 513 m; la longitud desde el hoyo derecho hasta las estaciones números YK2771.6 ~ YK3280 es 508,4 m, y la longitud total del túnel es 1021,4 m.
2 Principios básicos de Basic
NATM es un concepto mecánico completo (o concepto de ingeniería de túneles) que aplica específicamente las propiedades dinámicas del macizo rocoso. Se trata de una construcción de túnel basada en principios e ideas científicamente formulados y probados en la práctica. Su característica es aplicar oportunamente un soporte flexible de capa delgada y un soporte de anclaje cerca de la roca circundante cerca de la superficie de la excavación para controlar la deformación y la liberación de tensión de la roca circundante, ajustando así la roca circundante y el soporte flexible cuando la deformación es la misma. Distribuya la tensión dentro de la roca para lograr el equilibrio de tensiones, mantenga la fuerza inherente de la roca circundante al máximo y utilice su capacidad de autosoporte.
Los principios básicos de NATM se pueden resumir de la siguiente manera:
2.1 Se debe utilizar voladura suave para la excavación de túneles, se deben seleccionar formas de sección transversal, procedimientos de construcción y métodos de excavación razonables. y se deben utilizar secciones transversales grandes tanto como sea posible. Excave para minimizar el daño a la roca circundante.
2.2 Después de la excavación del túnel, aproveche al máximo la capacidad de autosoporte de la roca circundante y utilice la roca circundante como componente básico de la estructura de soporte cuando encuentre la presión de la roca circundante con plástico grande. deformación, se agregan varillas de anclaje para combinar estrechamente la roca circundante y el soporte, y el soporte trabajará junto con la roca circundante para formar un anillo de carga general.
O arco de carga
2.3 De acuerdo con las características de la roca circundante, utilizar diferentes tipos y parámetros de soporte, y aplicar rápidamente hormigón proyectado flexible y varillas de anclaje cerca de la roca circundante como sea posible. Soporte inicial Controlar la deformación y relajación de la roca circundante.
2.4 En áreas con roca circundante débil y rota, la sección del túnel debe cerrarse lo antes posible y las inversiones deben cerrarse a tiempo para desempeñar efectivamente el papel del sistema de soporte y garantizar la estabilidad de la túnel.
2.5 El revestimiento secundario se construye en condiciones en las que la deformación de la roca circundante y el soporte inicial son básicamente estables. El soporte de la roca circundante forma un todo, lo que no solo puede mejorar la seguridad del sistema de soporte sino también aumentar la seguridad. espesor del revestimiento.
2.6 Intente hacer que el contorno alrededor del túnel sea lo más suave posible para evitar la concentración de tensiones en bordes y esquinas abruptos.
2.7 Establecer un sistema de medición para monitorear el desplazamiento, la tasa de deformación y el grado de convergencia de la roca circundante, realizar el análisis de retroalimentación necesario, estimar correctamente las características de la roca circundante y sus cambios a lo largo del tiempo, y ajustar la excavación. y métodos de apoyo de manera oportuna para determinar el momento favorable para el apoyo inicial y si se necesitan medidas de refuerzo y apoyo. Hacer que el diseño y la construcción sean más consistentes con las condiciones reales y garantizar la seguridad de la construcción.
2.8 Bajo ciertas condiciones, se deben tomar otras medidas auxiliares, como inyección anticipada, congelación, desviación del flujo de agua, etc., para que NATM tenga éxito.
3 Selección de métodos de excavación para la roca circundante de nivel III del túnel Liangchakou
Al seleccionar el método de excavación, se deben considerar las siguientes cuestiones: (1) Profundidad del túnel, condición del macizo rocoso , si hay zonas de fractura por falla, si hay irrupción de agua, resistencia de la roca y otras cuestiones relacionadas con la autoestabilidad de la roca circundante del túnel (2) La longitud total del túnel o la longitud del área de trabajo; alineación del túnel, forma y tamaño de la sección y otras dimensiones de ingeniería relevantes (3) estado de la instalación terrestre, si existen requisitos de hundimiento del terreno, valores de hundimiento del terreno permisibles y otros requisitos ambientales relevantes; (4) equipo mecánico, período de construcción y otros requisitos de construcción; condiciones. Dado que la excavación en pasos cortos hace que la estructura de soporte forme una sección cerrada antes que la excavación en pasos largos, es más propicio para controlar el asentamiento superficial. Por lo tanto, cuando las condiciones de la roca son malas, es más ventajoso utilizar una excavación en pasos cortos que una excavación en pasos largos. De acuerdo con las condiciones reales del proyecto del túnel Liangchakou, la excavación de la roca circundante de nivel III adopta el método de paso corto y se divide en secciones superior e inferior.
4 Principio de simulación del proceso de construcción del túnel Liangchakou
El desplazamiento y la tensión durante el proceso de construcción del túnel se ven afectados por el método de construcción, la distancia de los pasos de excavación, la velocidad y la organización de la construcción. La simulación del proceso de construcción debe reflejar verdaderamente el proceso de construcción real al tiempo que realiza las simplificaciones necesarias. Se simularon por separado pasos de excavación y soporte separados.
Debido a factores como la complejidad de las relaciones tensión-deformación del suelo, selección de modelos constitutivos, estratificación del suelo, anisotropía e irregularidad del suelo, efectos complejos de las condiciones de construcción, cambios en los estados tensionales del suelo, etc., los resultados obtenidos mediante el cálculo de elementos pueden ser limitados. Sólo quedan en el análisis cualitativo de las reglas de distribución de campo de tensión y desplazamiento del suelo, pero no se pueden cuantificar. Por lo tanto, el objetivo principal de realizar un análisis de simulación en el proceso de construcción de la roca circundante de Nivel III del túnel Liangchakou es describir la roca circundante y el soporte junto con la excavación.
4.1 Simulación del proceso de excavación
De acuerdo con la fórmula de incremento de carga de nodo equivalente en cada nodo causado por la excavación de múltiples unidades
Dónde: Dónde Número total de excavación unidades
-Matriz de deformación por desplazamiento,
——Esfuerzo inicial in situ en el estado original,
matriz de función en forma de n,
γ ——El componente de densidad aparente en la dirección del eje de coordenadas del medio geotécnico.
se - el área de la unidad de excavación.
Se puede observar que cada excavación se puede representar mediante una carga incremental. Por lo tanto, los cambios en la tensión y el desplazamiento causados por todo el proceso de excavación se pueden simular y calcular fácilmente utilizando la excavación paso a paso, es decir, la carga paso a paso, que convierte la unidad de excavación en una unidad vacía al mismo tiempo. tiempo como cada paso de carga.
4.1.2 Liberación de carga durante la excavación
Utilice el método de elementos finitos para calcular la carga de cada nodo en el límite de la superficie de excavación y sume la fuerza nodal equivalente liberada por el excavación hasta el límite de la excavación, a la unidad de material de "excavación" se le asigna un pequeño valor para formar una llamada "unidad vacía", que completa la simulación del proceso de excavación. Cabe señalar que la sustitución de elementos de excavación por "elementos vacíos" puede provocar anomalías en la matriz de rigidez. Para resolver este problema, los desplazamientos de los nodos de la excavación se pueden hacer cero y las ecuaciones correspondientes a estos nodos se pueden eliminar de la ecuación de rigidez total.
El método de carga de nodo equivalente se utiliza para simular el proceso de excavación. Cómo aplicar la carga de excavación es la clave del problema. Después de la excavación, los elementos en el sitio de excavación no tienen rigidez. Para reflejar las condiciones reales de excavación, la malla unitaria se puede reformar después de cada excavación. Si el mallado se realiza manualmente, obviamente es una tarea extremadamente tediosa. Este problema se puede resolver programando un programa de mallado adaptativo.
4.1.3 Simulación del proceso constructivo de vertido
El proceso de excavación y sostenimiento del túnel se realiza por etapas y de forma alternada, por lo que esto también se debe realizar durante el análisis numérico A. Se simula el proceso. Primero, se debe considerar todo el procedimiento de construcción al dividir las celdas interiores de la caverna, y los bordes de todas las partes excavadas y vertidas deben ser los bordes de las celdas, no el interior de las celdas. La simulación del proceso de construcción de vertido es relativamente simple, es decir, dentro de un período de tiempo específico después de la excavación, a la "unidad vacía" correspondiente a la parte de vertido se le reasignan los parámetros del material de revestimiento y luego se realiza el cálculo. Es muy eficaz cambiar adecuadamente los planes de construcción de excavación y vertido, comparar la tensión y la deformación de la roca circundante y determinar el procedimiento de construcción óptimo.
Para la simulación del proceso de construcción, cuando se utiliza el método de elementos finitos bidimensionales para calcular el túnel, dado que la excavación del túnel se trata como un problema de deformación plana, la esencia de la construcción de la deformación plana El problema es excavar a través de los escalones superiores del túnel y luego realizar el anclaje de soporte de hormigón proyectado. En este momento, se ha completado el desplazamiento provocado por la excavación del escalón superior (independientemente de la reología del macizo rocoso, lo mismo a continuación), y la varilla de anclaje y la capa de hormigón proyectado no tienen tensiones ni deformaciones antes de la excavación del escalón inferior. paso. El método de elementos finitos tridimensionales puede reflejar verdaderamente la tensión y la deformación del anclaje durante la excavación del escalón superior durante la construcción del túnel. Para la excavación de los escalones superiores, se pueden considerar diferentes condiciones de trabajo, y el desplazamiento generado por cada escalón se puede calcular como diferentes pasos de excavación.
Según el cambio de desplazamiento se puede obtener la fuerza interna de la varilla de anclaje.
4.2 Simulación de ménsula
Se realizó una simulación por elementos finitos del anclaje. Dado que el ancla es una barra de acero, la carga axial es relativamente grande, pero la resistencia a la flexión es relativamente débil, por lo que el error de cálculo de la simulación de elementos finitos utilizando el ancla no será demasiado grande. Al analizar la conexión entre el perno de anclaje y el macizo rocoso, se puede suponer que está articulada de acuerdo con la situación real, y la fuerza axial del perno de anclaje se aplica al nodo en la posición correspondiente como una carga adicional (especialmente la los pernos de anclaje anclados en los extremos se tratan de esta manera). Calculando el desplazamiento relativo entre los dos puntos de anclaje, se puede obtener la tensión de tracción en la varilla de anclaje. Al multiplicar el área de la sección transversal del ancla se obtiene la fuerza nodal del ancla.
Para un ancla anclada de longitud completa, el esfuerzo cortante distribuido a lo largo del ancla se puede convertir en una fuerza de nodo equivalente de acuerdo con su ley de distribución y aplicarse a cada nodo a través del cual pasa el ancla. Teniendo en cuenta la interacción entre la varilla de anclaje y el macizo rocoso, la rigidez adicional de la varilla de anclaje se agrega a la matriz de rigidez general.
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