考慮圍巖壓力影響下某高速公路隧道拱穩(wěn)定性分析

雷國光 徐 豐 房 昕

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，長春 130118)

0 引言

我國山地、丘陵和高原面積約占國土總面積的69%，由于過去建設(shè)資金短缺，山區(qū)修建的公路中盤山公路居多，盤山公路給人們的生活帶來實(shí)惠的同時(shí)也潛伏了諸多的安全隱患，加之繞行里程較長，占用耕地面積較大，能耗居高不下，造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡不容忽視.隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，公路隧道的優(yōu)先選擇逐漸涌入人們的視野，公路隧道的出現(xiàn)使上述問題迎刃而解.相比盤山公路而言，既保護(hù)自然環(huán)境，明顯縮短了兩地之間的距離，避免大坡道，節(jié)省交通用時(shí)，又避免了滑坡、落石及泥石流等自然災(zāi)害的隱患.鑒于以上優(yōu)勢，公路隧道工程在公路建設(shè)實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用.

截止到2012年底，我國(不含港澳臺(tái)地區(qū))公路隧道10 022處，總長度8 052.7km，居世界之首.隨著國家對公路建設(shè)投資的增加，高等級公路發(fā)展迅速，公路隧道建設(shè)規(guī)模越來越大，數(shù)量也越來越多，公路隧道的穩(wěn)定性研究一直是工程界最為關(guān)注的焦點(diǎn)之一，為了保證公路隧道開挖過程安全和長期安全地運(yùn)營，需要保證隧道圍巖不產(chǎn)生塌方以及過大的塑性擠壓變形，從而確保圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定［1］.

1 ALGOR有限元程序仿真分析

ALGOR是世界上著名的大型通用有限元仿真軟件，有限元分析功能頗為強(qiáng)大，能解決常規(guī)方法不能解決的工程實(shí)際問題，幫助設(shè)計(jì)人員模擬工程中各種工況條件下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件狀況，且能快速、低成本地完成較為安全、可靠的設(shè)計(jì)項(xiàng)目.該軟件不僅可以進(jìn)行一般性質(zhì)的線性應(yīng)力分析、非線性應(yīng)力分析及線性與非線性的動(dòng)力學(xué)分析，還可以進(jìn)行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的熱傳導(dǎo)分析、二維和三維的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的流體流動(dòng)分析、電場分析以及非線性機(jī)械運(yùn)動(dòng)分析等.用ALGOR有限元軟件進(jìn)行分析主要流程如下:

(1)它具有較強(qiáng)的圖形輸入、輸出及自動(dòng)數(shù)據(jù)處理的功能，并且留有與其他CAD軟件的接口，有助于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有限元模型的建立.其強(qiáng)大的自動(dòng)網(wǎng)格劃分器可以幫助我們在最短的時(shí)間內(nèi)劃分出最有效、最優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格，提高應(yīng)力求解效果［2］;

(2)有限元軟件的分析計(jì)算過程、計(jì)算模型建立完成以后，對單元進(jìn)行定義、輸入材料參數(shù)，使其由一個(gè)CAD圖形轉(zhuǎn)化為有限元模型，并對邊界條件做相應(yīng)的處理［3］;

(3)后處理階段，即查看計(jì)算結(jié)果，也是進(jìn)行有限元仿真模擬分析的主要目的所在.

2 有限元模型的建立

建立有限元模型力求使計(jì)算模型簡單、準(zhǔn)確無誤，既保證計(jì)算精度，又節(jié)約計(jì)算時(shí)間.模型各項(xiàng)參數(shù)為:某高速公路兩車道隧道設(shè)計(jì)時(shí)速為120km/h，建筑限界最小寬度取11.5m，建筑限界高度取5m.該隧道為深埋隧道，圍巖級別為Ⅲ類S=3，巖石重度為γ=23kN/m3，初期支護(hù)噴射混凝土噴層厚度為100mm，二次襯砌的混凝土厚度為350mm，隧道開挖跨度為B=12m，直墻部分高5.5m，巖石的彈性模量為E=8.66GPa，泊松比 μ =0.28.

2.1 單位修改、網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置

修改單位系統(tǒng):選擇Toos→Units命令，將單位系統(tǒng)修改為Custom:力N，長度m，質(zhì)量kg，單擊OK.考慮到襯砌沿長度方向尺寸遠(yuǎn)大于橫截面尺寸，且橫截面形狀和尺寸沿長度方向不變，故將其看做平面應(yīng)變問題對待，參考日本青函隧道設(shè)計(jì)理念.劃分網(wǎng)格并設(shè)置參數(shù)，采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，選中Creat 2D Mesh命令，輸入尺寸7.62mm，角度值為9°，生成二維平面網(wǎng)格.設(shè)置材料密度為 ρ=2.3kg/m3，彈性模量 E=8.66GPa，材料的泊松比μ=0.28.設(shè)置單元類型為二維平面單元，選中Part 1→編輯→單元類型→二維.單元網(wǎng)格劃分如圖1.

圖1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)

圖2 邊界約束設(shè)置

2.2 荷載和邊界條件

對模型施加荷載和約束，將直墻拱底與直墻處施加固定約束.根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)手冊》得出豎向圍巖松動(dòng)壓力:

其中，s為公路隧道圍巖分級;R為圍巖天然重度標(biāo)準(zhǔn)值，kg/m3;Bm為隧道毛洞跨度，m.一般可取設(shè)計(jì)開挖跨度+2×(超挖量+預(yù)留變形量);λ為松散荷載的側(cè)壓力系數(shù)［4］，按照表1確定取0.15.帶入數(shù)值后得出隧道圍巖的豎向均布壓力q=70.38kN/m2，水平壓力e=10.56kN/m2，并施加拱頂沿負(fù)Z方向的均布荷載70.38kN/m2，左右兩側(cè)直墻分別沿Y正方向和負(fù)方向的均布荷載10.56kN/m2，如圖2～圖4所示.

圖3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)邊界約束

圖4 結(jié)構(gòu)加載

表1 隧道側(cè)壓力系數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果

保存模型:選擇File→Save命令.開始求解，Autodesk Simulation會(huì)自動(dòng)進(jìn)行求解.在荷載作用下襯砌結(jié)構(gòu)的位移分布如圖5所示，位移向量圖顯示豎向荷載作用下豎向撓度較大，直墻在水平方向的變形較小;圍巖壓力影響下的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖6所示，圖中顯示拱腳處的應(yīng)力最大，施工中需要做好節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)處理，盡量避免應(yīng)力集中現(xiàn)象.

圖5 位移向量

圖6 反作用矢量分布

定義應(yīng)力分類線，選中12個(gè)點(diǎn)，坐標(biāo):#1(0，－0.208 7，0.108 3)，#2(0，－0.208 7，0.087 3)，#3(0，－0.208 7，0.066 4)，#4(0，－0.208 7，0.045 5)，#5(0，－0.208 7，0.024 5)，#6(0，－0.208 7，0.003 6)，#7(0，－0.208 7，－0.017 4)，#8(0，－0.208 7，－0.038 3)，#9(0，－0.208 7，－0.059 2)，#10(0，－0.208 7，－0.080 2)，#11(0，－0.208 7，－0.101 1)，#12(0，－0.208 7，－0.122).線性化結(jié)果為:局部應(yīng)力強(qiáng)度 Pm 為17.771 5Pa，一次+二次應(yīng)力強(qiáng)度Pm+Pb為26.008 8Pa.如圖7、圖8所示.各應(yīng)力分類點(diǎn)的應(yīng)力輸出見表2.

圖7 應(yīng)力坐標(biāo)下細(xì)部點(diǎn)分布

表2 應(yīng)力分類線各點(diǎn)應(yīng)力輸出

4 結(jié)論

(1)結(jié)構(gòu)變形以豎向位移為主，最大豎向位移由以上數(shù)值分析可知，在拱頂位置豎向位移最大，最大值1.34×10－6m;其次是拱圈位置，拱圈是結(jié)構(gòu)承受垂直圍巖壓力的主要部分.為防止拱頂位置變形過大，施工中應(yīng)進(jìn)行加厚處理，抵抗過大的豎向變形，直墻主要承受水平圍巖壓力，其位移遠(yuǎn)小于拱頂，可見，豎向圍巖壓力是影響結(jié)構(gòu)變形的主要因素;

(2)拱頂端部和直墻接觸處的拱腳位置應(yīng)力最大，最大值1.2MPa，容易發(fā)生破壞，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在施工過程中為減小應(yīng)力集中帶來的影響，需要重點(diǎn)關(guān)注節(jié)點(diǎn)處的加強(qiáng)處理，可以考慮截面突變的轉(zhuǎn)角處做成圓滑過度曲線;

(3)通過圖8的應(yīng)力線性化結(jié)果可知，直墻上不同的12個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的應(yīng)力呈現(xiàn)線性變化，距離拱腳越近的點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度越大，其他細(xì)部點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度變化有限，說明直墻體上點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度隨高度影響較小.

［1］任長吉.公路隧道圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)對策研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2008.

［2］寇曉東，唐 可，田彩軍.ALGOR結(jié)構(gòu)分析高級教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008:1－8.

［3］許玉堂，邱振林，張寶華.用Algor有限元程序進(jìn)行碼頭的受力分析［J］.水道港口，2002，24(2):81－84.

［4］廖朝華，郭小紅.公路隧道設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:人民交通出版社，2012:145－148.