伊利石軟巖鐵路隧道開挖的有限元分析

李 鵬

(太原市市政公用工程質量監督站，山西 太原 030006)

伊利石軟巖鐵路隧道開挖的有限元分析

李 鵬

(太原市市政公用工程質量監督站，山西 太原 030006)

針對伊利石軟巖中單線鐵路隧道的開挖特點，采用彈塑性、非線性和大變形的力學模型及巖土工程中常用的Drucker-Prager準則，運用ANSYS軟件進行數值分析，并從伊利石軟巖的位移、應力角度出發，得出伊利石軟巖的力學特性、滑動特性以及要加強對邊墻部位支護的結論。

伊利石軟巖，鐵路隧道，數值分析，力學特性

0 引言

巖體在隧道開挖過程中會受到不同程度的擾動，在巖性不好的地層中，如研究巖體在開挖過程中軟巖的穩定性，對于隧道的開挖有著重要的意義[1,2]。對于伊利石軟巖的研究方法有很多，工程中圍巖的穩定性問題一直是巖土工程一個重要的研究內容，而軟巖的滑動特性在隧道工程方面表現的尤為突出[4,5]。本文所研究的伊利石屬于軟巖結構，其強度、穩定性都非常差。如果隧道開挖時，伊利石作為隧道圍巖結構，很容易引起涌水、塌方、巖溶塌陷，以及因高地應力引起的圍巖擠壓而產生大變形等一系列問題。因此有必要對伊利石軟巖的滑動特性進行研究，并且在研究的過程中，應給軟巖需采取的防護措施以有效的建議[6,7]。本文將隧道工程與軟巖的滑動特性研究相結合，即以隧道工程作為研究背景，對隧道開挖后，由伊利石軟巖構成的圍巖進行ANSYS數值模擬，得出隧道圍巖的滑動特性等力學性質，進而得出伊利石軟巖的滑動特性，是研究伊利石軟巖的最好方法。

1 ANSYS計算模型及計算參數

1)伊利石軟巖模型尺寸。隧道埋深為40 m(屬于淺埋式隧道)，隧道全長500 m(由于隧道開挖是分階段開挖，且伊利石軟巖的穩定性差，不宜大段開挖，所以先取開挖長度為10 m)，圍巖為伊利石軟巖，屬于第Ⅳ類巖石，拱頂半徑R=5 m,洞高H=15 m，寬度B=10 m，水平方向左右各取25 m，隧道底部以下取35 m，隧道模型示意圖如圖1所示。

2)伊利石軟巖模型類型。根據實際中隧道的設計規格，建立的伊利石軟巖模型范圍根據彈塑性理論影響范圍選取，一般取3倍～5倍的洞徑。由前面理論得知，為使得出的結果更精確，可以取10倍以上的范圍。此隧道為單線鐵路隧道，該隧道位于陡峭山體，隧道平面設計為直線，橫斷面設計為直墻式單線鐵路隧道，且不帶仰拱。本文只考慮自重產生的初始應力場，重力加速度取9.8 m/s2。

3)伊利石軟巖的計算邊界。為盡量減少模型中邊界約束條件對計算結果產生不利的影響，計算模型的邊界范圍按照以下原則進行確定：

a.計算模型所取地層的范圍是：水平方向左、右邊取洞跨的6倍；垂直方向，上邊界為自由地表，下邊界為洞高的3.5倍；計算時所施加的邊界約束條件是：地表為自由邊界，未加任何約束；計算模型的左右邊界分別受到X軸方向的位移約束，模型的地層下部邊界受到Y軸方向的位移約束，有限元劃分網格模型如圖2所示。b.在分析計算中采取目前有限元分析中比較常用的彈塑性模型，屈服準則采用巖土工程中常用的Drucker-Prager準則，其本構采用非線性、各向同性模型，并考慮巖體的彈塑性及大變形。

4)伊利石軟巖的力學參數。計算中采用理想彈塑性材料，屈服準則采用Drucker-Prager準則。圍巖材料的力學參數采用隧道圍巖的實測值。根據鐵路隧道設計規范，伊利石軟巖的力學參數見表1。

表1 伊利石軟巖的力學參數

2 ANSYS計算結果分析

1)隧道圍巖位移特征。單線鐵路隧道開挖后圍巖位移變形模態如圖3所示。由于單線鐵路隧道開挖后引起應力重分布，從圖3中可以看出圍巖和隧道整體向下變形，且圍巖的變形僅限于一定范圍內，且拱頂、邊墻和底板處發生較大位移。

從伊利石軟巖的各方向最大位移矢量表2得出：開挖后伊利石軟巖在X方向上圍巖的最大位移量為2.1×10-3m，Y方向上圍巖的最大位移量為5.9×10-2m。對于圍巖為伊利石軟巖的隧道，在深度為40 m處，采用淺埋直接暗挖法施工，對X方向位移影響不大，對Y方向位移影響大。由位移矢量云圖知：邊墻和拱頂的位移影響較大，已出現大變形破壞，巖層被拉裂分開，因此在隧道開挖時需要對伊利石軟巖加錨桿以及鋼筋混凝土支護，防止隧道發生坍塌等事故。

表2 伊利石軟巖的各方向最大位移矢量列表 m

由圖4得出：隧道開挖后所產生的變形量沿高度(Y方向)的變化越來越小，距離3倍洞徑以外巖體下部位移量很小，基本上不受隧道開挖影響，圍巖開挖深度受開挖后卸載的影響很小；在隧道頂部，圍巖的位移量達到最大。在3倍距離內，拱頂和邊墻都受到很大的力的作用，產生明顯的位移，一般要在其拱頂處加錨桿支護。所以隧道開挖后，未加支護前，圍巖的位移較大，伊利石軟巖穩定性差，容易變形。

2)隧道圍巖應力特征。從圖5～圖8可以看出，隧道開挖后，在洞徑1倍的區域內受開挖影響較大，3倍區域以外受開挖影響較小，且距離隧洞越遠，影響越小。隧道開挖前由自重應力形成的初始應力場呈層狀分布。由于開挖后的卸載作用，產生應力重分布，分別形成應力松弛區和應力集中區。由圖5和表3得出：X方向的圍巖應力主要集中在隧道拱腳與邊墻連接的位置，其最大值為6.2×105Pa，應力最小處為隧道的底部，其值為3.8×105Pa；由圖6和表3得出：Y方向的應力主要集中在隧道底部與邊墻連接的位置，其值為2.0×106Pa，應力最小處為拱頂和隧道底部位置，其值為5.5×103Pa；由圖8和表3得出：XY方向的剪切應力主要集中在拱頂兩側和隧道底部與邊墻連接處，并且呈對角線分布，最大值為6.6×105Pa，并且在各自對角線上應力方向相同，主對角線受拉，副對角線受壓；由圖7和表4得出：隧道圍巖的等效應力主要集中在隧道底部與邊墻連接的位置和隧道拱頂與邊墻連接的位置，最小值分布在隧道底部和隧道頂部。

表3 伊利石軟巖的各方向應力最值表

Pa

應力松弛區主要分布在拱頂位置，處于受壓狀態，且伊利石圍巖強度不夠高，產生很大的壓應力；在隧道底部位置，處于受拉狀態，且伊利石圍巖強度不夠高，產生很大的拉應力。由于單線鐵路隧道的邊墻設計比較高，洞底的應力松弛區范圍明顯。由于邊墻較高，由圖7可以看出，在邊墻與底部連接部位出現較大的應力區，所以要加強對邊墻部位的支護，通常用橫隔板和邊墻支架來加強邊墻的受力。由圖5～圖8得出，隧道開挖前由自重應力形成的初始應力場呈層狀分布。隧道開挖后，應力從地面到地面以下依然呈層狀分布。由于開挖后應力重分布效應，應力大小沿高度依次遞減，導致最底部的應力最大，地面表層應力最小，可以忽略不計。

表4 伊利石軟巖的Von Mises應力最值表 Pa

3 結語

本文將隧道工程與軟巖的滑動特性研究相結合，即以隧道工程作為研究背景，對隧道開挖后，由伊利石軟巖構成的圍巖進行ANSYS數值模擬，得出隧道圍巖的滑動特性等力學性質，進而得出伊利石軟巖的滑動特性，得到應力主要集中在隧道底部與邊墻連接的位置和隧道拱頂與邊墻連接的位置，所以要加強對邊墻部位的支護；最小值分布在隧道底部和隧道頂部。

[1] 侯召松,劉志漢,李云龍，等.巖體隧道開挖過程中圍巖穩定性的數值分析[J].科技創新導報,2010(20):54.

[2] 秦玉紅.地下洞室圍巖穩定分析法的研究現狀[J].現代礦業,2009(5):24-27.

[3] 張 彬,劉 波.ANSYS在軟巖巷道圍巖穩定性分析中的應用[J].山西建筑,2009,35(30):82-83.

[4] 劉 永,譚顯坤,張 航.椿樹埡隧道巖體結構特征與圍巖穩定性分析[J].安全與環境工程,2010,17(5):106-112.

[5] 孫 鈞.巖土材料流變及其工程應用[M].北京:中國建筑工業出版社,1999.

[6] J Owen DRJ,Hinton E.Finite Elements in Plasticity:Theory and Practice[M].Swansea,Pine Ridge Pres8 Limited,1980.

[7] 徐 軍,鄭穎人.隧道圍巖彈塑性隨機有限元分析及可靠度計算[J].巖土力學,2003,24(1):70-74.

Finite element analysis of Illite soft rock railway tunnel excavation

LI Peng

(TaiyuanMuniciplePublicEngineeringQualitySupervisionStation,Taiyuan030006,China)

According to the excavation features of Illite soft rock single-line railway tunnel, the paper adopts the elastic-plastic, non-linear and large deformation dynamic models and the common Drucker-Prager principle of geotechnical project, undertakes the numeric analysis by adopting ANSYS software, concludes the dynamic features and the sliding features of Illite soft rock from its displacement and stress, and the side wall support should be enhanced.

Illite soft rock, railway tunnel, numeric analysis, dynamic feature

2014-06-30

李 鵬(1978- )，男，工程師

1009-6825(2014)27-0169-02

U455

A