復雜地質條件下連拱隧道施工數值模擬研究

摘 要:以某雙連拱隧道為原型，建立彈性平面應變模型，針對目前國內常用的三種雙連拱隧道施工方法，對隧道動態施工過程進行數值模擬，探討了采用不同方法開挖雙連拱隧道時施工各階段圍巖應力場和位移場的分布特點，得出對隧道施工有益的建議。

關鍵詞:連拱 隧道 數值模擬 平面應力 位移場

中圖分類號:U455文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)04(b)-0104-02

隧道結構的力學計算是一項比較困難的課題。在各種荷載作用下，地層巖土介質與隧道結構相互作用相當復雜。只有那些具有理想的幾何形狀和材料性態，且載荷形式與邊界條件簡單的線彈性體系(或簡化彈塑性體系)，我們不能得到較精確的解答。但是，對處于非線性巖土體內的連續或不連續介質和任意幾何外形的隧道結構，其力學計算必須借助于近似的數值方法。由于采用不同的施工方法，施工過程中不同工序引起的位移大小和分布也不同。

有限單元法是自50年代發展至今，己成為求解復雜的巖土工程問題的有力工具，并越來越多地被工程界所接受。有限單元法以彈塑性力學作為理論基礎，通過求解彈塑性力學方程(物理方程、幾何方程、平衡方程)，計算隧道圍巖體在一定的環境條件(自重、荷載等)下的應力場和位移場，然后根據相應的巖土體破壞準則，判斷隧道圍巖體各相應部位在該應力作用下所處的狀態，并指出可能發生破壞(拉張破壞、剪切破壞、塑性破壞等)的部位和區域，以此對整個隧道的穩定性進行評價，這種方法是基于小變形和連續介質的假設，適用于分析模擬隧道變形發展演化的早期階段在應力場作用下發生的拉張或壓縮變形。

1 有限元法的基本思想

1.1 基本思想

有限單元法的基本思想是將連續的結構離散成有限個單元，并在每一個單元中設立有限個結點，將連續體看作是只在結點處連續的一組單元的集合體;同時，選定場函數的結點值作為基本未知量，并在每個單元中假設一個近似插值函數以表示單元中場函數的分布規律;進而利用力學中的某種變分原理去建立用以求解結點未知量的有限單元平衡方程，從而將一個連續區域中的無限自由度問題轉化為離散域中的有限自由度問題，一經求解，就可以利用解得的結點值和設定的插值函數確定單元上以至整個集合體上的場函數。

1.2 基本分析步驟

有限單元法解題的一般步驟是:結構離散化、選擇位移模式、建立平衡方程、求解結點位移、計算單元的應力和應變。其中結構的離散化是有限元的基礎。所謂離散化，就是將分析結構分割成有限個單元體，使相鄰單元體僅在結點處相連接，而以此單元的結合體去代替原來的結構。如果分析結構是二維或三維的連續介質，就要根據實際物體的形狀和對于計算結果所要求的精度來確定單元的形狀的剖分方式。

2 計算模型的建立及有限元網格劃分

根據連拱隧道斷面的相關尺寸，建立二維彈性有限元計算模型。模型計算范圍在水平方向取距隧道中心5倍跨，下邊界取為洞高的2倍，上邊界取隧道實際埋深。模型的邊界條件采用施加約束的方法，在模型的底面加固定支座以約束所有自由度，在平行隧道走向的兩側施加滑動支座，只約束水平方向的自由度而釋放垂直方向上的自由度，以模擬巖體的沉降，如圖1。數值模型總共用了27000多個單元，近1000000個節點。因為隧道的埋深較淺，故地應力場按自重應力場考慮。

3 三導洞法開挖過程圍巖位移分析

隧道開挖后，圍巖受力平衡狀況被打破，應力重新分布，使得圍巖發生變形，從而產生位移變化。中導洞，右洞，左洞圍巖位移隨施工過程變化圖如圖2-5。

通過分析可知先開挖的側洞對中導洞位移的影響大于后開挖的側洞。如圖中導洞的位移隨著右洞的開挖變化較大，隨后開挖的左洞對中導洞的位移沒有右洞那么顯著。

4 圍巖應力場分析

圍巖應力變化隨施工工序變化如下系列圖示(圖6-8)。

中導洞開挖后，在中導洞拱腰部位產生月牙狀高應力區，拱腳處產生應力集中現象，在施工中應加以注意，加強該部位的強度和剛度。隨著側導洞的開挖，中導洞和側導洞間形成高應力承載區。在開挖側導洞時在側導洞拱腰部位應力比較大，注意對該部位的加強。中導洞和側導洞間形成高應力承載區的上部土體時，對圍巖的應力影響較大，在開挖洞室的拱腰部仍形成較大的應力區域。隨后的核心土體的開挖對洞室圍巖應力的影響不是很大。從隧道的支護受力情況可以看到，在左右洞室的拱腰處的支護應力最大，左右洞室支護應力圖形形狀基本沿隧道軸線對稱分布。中隔墻是連拱隧道施工的一個較關鍵部位。從中隔墻的受力情況可以分析到:中隔墻兩端承受較大的壓力。邊墻底部角隅應力集中顯著。

5 結論

施工過程中導坑的開挖就是一般的小洞徑隧道開挖，它引起的圍巖位移變化與單洞隧道的情況一致;中墻由于是在中導坑穩定過后才澆注的，故它在下一步施工工序進行之前主要承受的是其自身的重量，對位移的影響不大。論文兩種施工方法這兩步工序都完全一樣，故它們引起的圍巖位移變化也基本一樣。隧道施工過程中，洞室的拱腰部位一般是高應力區域，是在施工中需要加以注意加強的部位。

參考文獻

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