基于數值模擬的連拱隧道位移和支護所受軸力分析

楊 定

(廣西桂通工程管理集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

連拱隧道在國內外研究廣泛,對此學者們進行了大量的研究。張妞等[1]對湖北某連拱隧道進行了數值模擬研究,結果表明:中隔墻越厚,隧道整體的偏轉幅度越小。茶增云等[2]通過數值模擬對連拱隧道動態施工過程進行了還原,研究結果表明:開挖面合理間距應當控制在32 m以內。李波等[3]通過數值模擬對不同爆破施工方案進行了研究,結果表明:上臺階爆破效果明顯高于下臺階爆破。李智等[4]對風化千枚巖隧道進行了研究,結果表明:千枚巖區域應當嚴格控制隧道的開挖,嚴禁超挖。張國浩等[5]通過數值模擬對新意法隧道施工進行了研究,結果表明:新意法開挖隧道沉降控制得更優。李波等[6]對無中墻連拱隧道的施工進行了研究,結果表明:CD法施工較臺階預留核心土法,更利于結構安全。李海云[7]利用數值模擬技術對連拱隧道開挖進行了研究,結果表明:連拱隧道最大位移位于中隔墻頂部。胡長明等[8]利用數值模擬對連拱隧道的穩定性進行了研究,結果表明:開挖進尺對圍巖穩定性影響較大。林立華[9]通過數值模擬對雙拱隧道的位移進行了研究,結果表明:雙拱隧道的位移明顯較單拱隧道大。左雙英等[10]對雙拱隧道的噴錨支護進行了研究,結果表明:重力式中隔墻在隧道支護中效果最佳。

然而以上的研究沒有從連拱隧道位移和支護措施所受軸力角度進行分析,對此本文結合某實際連拱隧道開挖工程,利用數值模擬技術對隧道進行全過程模擬。

1 工程概況

該連拱隧道位于廣西柳州市,長×寬×高為90 m×22 m×54 m,單洞隧道直徑為9.0 m,隧道間距為14 m。隧道區域巖土體主要由風化土、風化巖和軟巖組成,物理力學參數如表1所示。

表1 巖土體物理力學參數表

2 數值模擬

2.1 模型參數

圖1所示為雙洞連拱隧道數值模擬云圖。風化土、風化巖和軟巖均選擇三維實體單元,材料均符合mohr模型;隧道混凝土選擇C50混凝土,材料滿足彈性變形規律,彈性模量為36.1×107kN·m-3,泊松比為0.20,容重為28.3 kN·m-3;盾構鋼選擇彈性模型,彈性模量為6.25×1011kN·m-3,泊松比為0.21,容重為57.9 kN·m-3;錨桿選擇彈性模型,彈性模量為5.36×1011kN·m-3,泊松比為0.23,容重為52.3 kN·m-3。

圖1 雙洞連拱隧道數值模擬云圖

2.2 隧道及周圍巖土體的位移

數值模擬計算完成后,隧道的位移如下頁圖2所示。

(a)豎向位移

如圖2(a)所示,隨著深度的不斷增加,隧道的豎向位移整體呈現逐漸增大的趨勢,最大豎向位移為29 mm,位于隧道正下方,方向豎直向下;隧道正上方巖土體出現隆起,最大隆起量為19 mm;隧道正上方地面處出現隆起變形,最大隆起量為13 mm;隧道開挖后周圍巖土體豎向位移均≤30 mm,地面處最大豎向隆起量為13 mm,最大沉降為11 mm,地面豎向位移均≤20 mm,滿足規范要求,可認為隧道開挖的豎向位移控制在合理的范圍內。

如圖2(b)所示,隨著深度的不斷增加,除了隧道正上方巖土體以外,隧道的整體位移呈現逐漸增大的趨勢,最大總體位移為32 mm,位于隧道正下方12 m處;隧道正上方巖土體出現隆起,最大隆起量為21 mm;隧道正上方地面處出現隆起變形,最大整體隆起量為14 mm;隧道開挖后周圍巖土體整體位移均≤30 mm,地面處最大整體隆起量為14 mm,最大總體位移為12 mm,地面整體位移均≤20 mm,滿足規范要求,可認為隧道開挖的整體位移控制在合理的范圍內。

由圖2可知,數值模擬建立以后,隧道的豎向位移和整體位移均隨著深度的不斷增加,位移數值不斷增大,離隧道越近影響越大,數值模擬的結果與實際工程相符合;豎向位移和整體位移地面處最大位移均≤20 mm,說明數值模擬的結果控制在合理的范圍內,進一步說明隧道開挖在位移方面是滿足工程要求的。

2.3 隧道受力分析

隧道襯砌和錨桿的受力情況如圖3所示。

(a)襯砌所受的軸力

如圖3(a)所示,上層襯砌的受力大于下層,因為上層襯砌承受隧道周圍巖土體的應力明顯大于下層襯砌;隨著掘進深度的增加,深層襯砌的受力大于隧道口襯砌。數值模擬的結果與實際的施工情況相符。

如圖3(b)所示,上層錨桿的受力明顯大于下層錨桿,最大錨桿的受力為12.7 kN。因上層錨桿受到隧道周圍巖土體的應力較下層錨桿大,錨桿的受力與實際工況相符。左側錨桿右側部分的受力較右側錨桿左側部分大,因首先開挖的是左側隧道,然后施加左側錨桿,因此左側錨桿的受力會大于右側錨桿。

由圖3可知,襯砌的最大受力為78.6 kN,錨桿的最大受力為12.7 kN,以上數值明顯小于材料允許的極限值,因此可認為隧道的開挖在所受軸力方面是滿足工程要求的。同時,襯砌和錨桿的上層受力均大于下層的受力,若從節約工程造價的角度上考慮,可以適當增加上層襯砌和錨桿的剛度,減小下層襯砌和錨桿下層的材料剛度,在滿足工程要求的同時,也可以達到節約工程造價的目的。

3 結語

本文結合某連拱隧道開挖工程,利用數值模擬軟件,對支護措施的位移和受力進行了分析,總結如下:

(1)隧道開挖完成后,豎向位移和整體位移均≤20 mm,從位移角度上分析可知,隧道開挖是滿足工程要求的,隧道正上方會出現隆起現象,此現象與工程實際相符。

(2)隧道襯砌和錨桿所受軸力數值均不超過材料的極限受力,說明襯砌和錨桿的受力是滿足工程要求的。同時,上層襯砌和錨桿的受力明顯大于下層,說明支護防護的重點在于隧道上層,下層支護措施可適當減小剛度,以達到節省工程造價的目的。

(3)本文對連拱隧道開挖支護下支護措施的受力和位移進行了分析,但沒有分析支護措施的剪切受力和塑性區,此方面有待進一步研究。