復(fù)雜地質(zhì)條件下連拱隧道施工數(shù)值模擬研究

摘 要:以某雙連拱隧道為原型，建立彈性平面應(yīng)變模型，針對目前國內(nèi)常用的三種雙連拱隧道施工方法，對隧道動態(tài)施工過程進(jìn)行數(shù)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(yīng)力場和位移場的分布特點(diǎn)，得出對隧道施工有益的建議。

關(guān)鍵詞:連拱 隧道 數(shù)值模擬 平面應(yīng)力 位移場

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

隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算是一項(xiàng)比較困難的課題。在各種荷載作用下，地層巖土介質(zhì)與隧道結(jié)構(gòu)相互作用相當(dāng)復(fù)雜。只有那些具有理想的幾何形狀和材料性態(tài)，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(nèi)的連續(xù)或不連續(xù)介質(zhì)和任意幾何外形的隧道結(jié)構(gòu)，其力學(xué)計算必須借助于近似的數(shù)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(fā)展至今，己成為求解復(fù)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(xué)作為理論基礎(chǔ)，通過求解彈塑性力學(xué)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(huán)境條件(自重、荷載等)下的應(yīng)力場和位移場，然后根據(jù)相應(yīng)的巖土體破壞準(zhǔn)則，判斷隧道圍巖體各相應(yīng)部位在該應(yīng)力作用下所處的狀態(tài)，并指出可能發(fā)生破壞(拉張破壞、剪切破壞、塑性破壞等)的部位和區(qū)域，以此對整個隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行評價，這種方法是基于小變形和連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)，適用于分析模擬隧道變形發(fā)展演化的早期階段在應(yīng)力場作用下發(fā)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(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限個單元，并在每一個單元中設(shè)立有限個結(jié)點(diǎn)，將連續(xù)體看作是只在結(jié)點(diǎn)處連續(xù)的一組單元的集合體;同時，選定場函數(shù)的結(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，并在每個單元中假設(shè)一個近似插值函數(shù)以表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律;進(jìn)而利用力學(xué)中的某種變分原理去建立用以求解結(jié)點(diǎn)未知量的有限單元平衡方程，從而將一個連續(xù)區(qū)域中的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散域中的有限自由度問題，一經(jīng)求解，就可以利用解得的結(jié)點(diǎn)值和設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以至整個集合體上的場函數(shù)。

1.2 基本分析步驟

有限單元法解題的一般步驟是:結(jié)構(gòu)離散化、選擇位移模式、建立平衡方程、求解結(jié)點(diǎn)位移、計算單元的應(yīng)力和應(yīng)變。其中結(jié)構(gòu)的離散化是有限元的基礎(chǔ)。所謂離散化，就是將分析結(jié)構(gòu)分割成有限個單元體，使相鄰單元體僅在結(jié)點(diǎn)處相連接，而以此單元的結(jié)合體去代替原來的結(jié)構(gòu)。如果分析結(jié)構(gòu)是二維或三維的連續(xù)介質(zhì)，就要根據(jù)實(shí)際物體的形狀和對于計算結(jié)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(wǎng)格劃分

根據(jù)連拱隧道斷面的相關(guān)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(shí)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(cè)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(shù)值模型總共用了27000多個單元，近1000000個節(jié)點(diǎn)。因?yàn)樗淼赖穆裆钶^淺，故地應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮。

3 三導(dǎo)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(yīng)力重新分布，使得圍巖發(fā)生變形，從而產(chǎn)生位移變化。中導(dǎo)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(cè)洞對中導(dǎo)洞位移的影響大于后開挖的側(cè)洞。如圖中導(dǎo)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(dǎo)洞的位移沒有右洞那么顯著。

4 圍巖應(yīng)力場分析

圍巖應(yīng)力變化隨施工工序變化如下系列圖示(圖6-8)。

中導(dǎo)洞開挖后，在中導(dǎo)洞拱腰部位產(chǎn)生月牙狀高應(yīng)力區(qū)，拱腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在施工中應(yīng)加以注意，加強(qiáng)該部位的強(qiáng)度和剛度。隨著側(cè)導(dǎo)洞的開挖，中導(dǎo)洞和側(cè)導(dǎo)洞間形成高應(yīng)力承載區(qū)。在開挖側(cè)導(dǎo)洞時在側(cè)導(dǎo)洞拱腰部位應(yīng)力比較大，注意對該部位的加強(qiáng)。中導(dǎo)洞和側(cè)導(dǎo)洞間形成高應(yīng)力承載區(qū)的上部土體時，對圍巖的應(yīng)力影響較大，在開挖洞室的拱腰部仍形成較大的應(yīng)力區(qū)域。隨后的核心土體的開挖對洞室圍巖應(yīng)力的影響不是很大。從隧道的支護(hù)受力情況可以看到，在左右洞室的拱腰處的支護(hù)應(yīng)力最大，左右洞室支護(hù)應(yīng)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(guān)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(yīng)力集中顯著。

5 結(jié)論

施工過程中導(dǎo)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(dǎo)坑穩(wěn)定過后才澆注的，故它在下一步施工工序進(jìn)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(yīng)力區(qū)域，是在施工中需要加以注意加強(qiáng)的部位。

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