巖體隧道不同施工斷面的形狀優(yōu)化及其三維數(shù)值分析

王洋

【摘要】在公路隧道等地下工程中，隧道洞室的軸線一旦選定以后，事實(shí)上圍巖的介質(zhì)和初始地應(yīng)力場等邊界條件也就客觀存在不能改變了，所以在設(shè)計(jì)中只能不斷地調(diào)整洞室斷面的幾何形態(tài)、尺寸等，以改善圍巖的應(yīng)力分布及其穩(wěn)定性狀態(tài)。本文依托高達(dá)隧道工程，利用大型數(shù)值模擬軟件ANSYS研究四種斷面形狀，即圓形斷面、單心圓斷面、三心圓斷面和直墻圓拱形斷面在同一隧道地質(zhì)條件下的穩(wěn)定性情況。

并且本文使用MIDAS軟件對(duì)高達(dá)雙線隧道進(jìn)行三維開挖仿真模擬，從而得出更為符合工程實(shí)際的理論數(shù)據(jù)，為工程實(shí)際提供更為準(zhǔn)確的理論參考

【關(guān)鍵詞】隧道；不同斷面；數(shù)值分析；穩(wěn)定性

【Abstract】 In highway Tunnels and underground opening engineering， the tunnel axis once are made sure， the rock material medium and initial stress field and other boundary conditions can not be adjusted. Therefore， during the tunnel design processing we just could change the geometric shape， dimensions， etc， to improve the stress distribution and stability of state.

Based on the Gaoda tunnel investigation in site， Ansys code as numerical model tool are applied to optimizate the tunnel shape. And four tunnel shape are emphasesly modelling and analysised in this thesis， such as， Circular tunnel section、1-circle shaped section、3-circle shaped section and straight wall shaped section in the same geological conditions.

And using MIDAS software simulate two-lane tunnel of Gaoda excavation of three-dimensional. To obtain more consistent with the theory of the actual data for the project more accurately the actual provision of reference.

【Key words】Tunnel；Different sections；Numerical analysis；Stability

1. 引言

（1）公路隧道的一般設(shè)計(jì)過程與鐵路隧道大體相同，但鐵路隧道建筑限界固定統(tǒng)一，而公路隧道的建筑限界卻不固定，且公路隧道為大跨度、扁平、幾何形狀呈多樣化的特點(diǎn)，它取決于公路等級(jí)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、車道數(shù)、通風(fēng)要求、工程地質(zhì)、施工方法等條件，公路隧道的附屬設(shè)施如通風(fēng)、照明、消防、報(bào)警等也均比鐵路隧道多、要求高，且每一座隧道均會(huì)因交通流量和長度不同而要求不同。因此，公路隧道難以像鐵路隧道那樣編制出標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖，而需根據(jù)其具體的要求進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，其中魏建軍、蔣斌松發(fā)表的公路隧道內(nèi)輪廓形狀的數(shù)值優(yōu)化中對(duì)此內(nèi)容進(jìn)行了研究。

（2）本文基于高達(dá)隧道所遇到的選擇斷面問題為背景，嘗試借助于數(shù)值分析的方法，從理論上來探討高達(dá)隧道斷面形狀的設(shè)計(jì)比選、優(yōu)化，并使用MIDAS軟件分析工程穩(wěn)定性問題，國內(nèi)韓貝傳發(fā)表的數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及在巖土工程中的應(yīng)用，張?jiān)品灏l(fā)表的隧道施工過程的數(shù)值模擬分析與方案的優(yōu)化對(duì)這方面的問題進(jìn)行了闡述。

2. 工程概況

（1）高達(dá)隧道位于遼寧省東部的寬甸縣青山溝鄉(xiāng)，走向南西237°左右。設(shè)計(jì)雙線分離隧道，間隔40m左右，屬短隧道。。

隧道區(qū)位為中低山區(qū)，屬長白山脈東南部余脈。總體上北西側(cè)高，向南東傾斜，海拔高度370.60～433.60m之間，相對(duì)高差63.00m，山勢較緩，樹枝狀溝谷發(fā)育，沖溝窄坡陡，東側(cè)洞口（右進(jìn)左出口）中等坡地貌，坡角18～24°左右，西側(cè)洞口（右出左進(jìn)口），坡角11～17°左右。

（2）根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2004）中的公路隧道圍巖分級(jí)方案的有關(guān)規(guī)定，綜合考慮隧道底板標(biāo)高以上三倍洞徑范圍內(nèi)的圍巖工程地質(zhì)條件及巖土體物理力學(xué)性質(zhì)諸多要素，對(duì)隧道圍巖進(jìn)行工程地質(zhì)分級(jí)，洞口段為Ⅴ級(jí)圍巖，洞身為Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖。

（3）由高達(dá)隧道工程地質(zhì)概況可以得出隧道大部分地段處在Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)圍巖下，地質(zhì)條件較為差，所以隧道穩(wěn)定性研究需要在彈塑性理論下進(jìn)行。而穩(wěn)定性研究主要考慮在較不利的條件下進(jìn)行的開挖受力情況，所以本文不討論隧道斷面在Ⅲ級(jí)圍巖下的穩(wěn)定性問題，而主要分析討論Ⅳ級(jí)圍巖下不同斷面的穩(wěn)定性問題。

3. 不同斷面隧道的開挖模擬數(shù)值分析

由于本隧道屬于細(xì)長結(jié)構(gòu)物，即隧道的橫斷面相對(duì)于縱向的長度來說很小，可以假定在圍巖荷載作用下，在其縱向沒有位移，只有橫向發(fā)生位移，所以隧道的力學(xué)分析可以采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行。

本文選取了四種典型的隧道斷面進(jìn)行計(jì)算分析，分別為圓形隧道、單心圓隧道、直墻圓拱形隧道和三心圓隧道，計(jì)算分析隧道圍巖及襯砌內(nèi)力和位移。通過隧道開挖過程中的仿真力學(xué)分析，以模擬結(jié)果比較分析得出最為適合本工程的隧道斷面形式。endprint