某隧道臺階開挖法模擬分析

周 剛

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610031)

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某隧道臺階開挖法模擬分析

周 剛

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610031)

以甘肅省某隧道為例，應(yīng)用ANSYS有限元軟件，對采用上下臺階法開挖大斷面隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析，通過對隧道變形、圍巖塑性區(qū)分布及初襯、二襯應(yīng)力的分析，得出了臺階法能有效控制圍巖的變形，使襯砌有較好的受力條件，但圍巖在施工過程中會出現(xiàn)較大塑性區(qū)，為今后類似隧道施工提供了依據(jù)。

大斷面隧道，臺階法，有限元軟件，圍巖

1 工程概況

某隧道位于甘肅省境內(nèi)，進(jìn)口端洞口里程為DK431+051，出口端洞口里程為DK433+782，隧道全長2 731 m。在隧道進(jìn)口段DK431+051～DK431+096之間45 m內(nèi)卸荷節(jié)理發(fā)育，屬于Ⅴ級圍巖，在大斷面隧道施工過程中需要加強(qiáng)支護(hù)，選取安全的開挖方法。本文對臺階法進(jìn)行了數(shù)值模擬，借以為工程施工提供參考。

2 數(shù)值模擬計算

2.1 計算條件

隧道斷面寬20.16 m，高15.01 m，埋深30 m，位于Ⅴ級圍巖。橫向計算范圍：左右各75 m；豎向計算范圍：隧道拱部以上取15 m，仰拱以下取50 m；邊界條件：頂部加豎向壓力，使模型等效為30 m埋深，底部加水平和豎向約束，左右兩側(cè)加水平約束。錨桿直徑25 mm中空注漿，拱墻錨桿直徑22 mm普通砂漿。開挖及支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 初期支護(hù)參數(shù)表

二次襯砌厚度為0.8 m，拱墻和仰拱使用C35鋼筋混凝土，仰拱填充用C20混凝土。隧道開挖斷面如圖1所示。

2.2 計算網(wǎng)格模型

臺階法的主要施工步驟：上臺階開挖,下臺階開挖。計算網(wǎng)格圖如圖2所示。

2.3 計算結(jié)果

2.3.1 關(guān)鍵點(diǎn)位移計算結(jié)果

拱頂豎向位移變化曲線如圖3所示。

拱底豎向位移變化曲線如圖4所示。

邊墻中點(diǎn)水平位移變化曲線如圖5所示。

2.3.2 應(yīng)力計算結(jié)果

隧道二襯后圍巖的第一主應(yīng)力場，如圖6所示。

隧道二襯后圍巖的第三主應(yīng)力場，如圖7所示。

各關(guān)鍵點(diǎn)最大應(yīng)力如表2所示。

表2 關(guān)鍵點(diǎn)最大應(yīng)力表 MPa

其中初襯的第一主應(yīng)力在墻頂與拱腳接觸部位取最大值，為0.378 MPa，第三主應(yīng)力在墻頂與拱腳接觸部位取最小值，為-6.877 MPa；二襯的第一主應(yīng)力在墻頂與拱腳接觸部位取最大值，為0.057 MPa，第三主應(yīng)力在墻底、仰拱腳接觸部位取最小值，為-2.784 MPa。

2.3.3 塑性區(qū)

在二襯后圍巖出現(xiàn)最大的塑性區(qū)，如圖8所示。

2.3.4 計算結(jié)果分析

1)從關(guān)鍵點(diǎn)位移變化曲線分析，拱頂在自重場中沉降量為1.407 cm，到二襯后沉降量為2.023 cm，施工過程中拱頂下沉0.617 cm；拱底在自重場中沉降量為1.122 cm，到二襯后沉降量為0.585 cm，施工過程中拱底上升了0.534 cm；左側(cè)邊緣點(diǎn)在自重場中向左偏移量為0 cm，到二襯后向右偏移量為0.136 cm，施工過程中左側(cè)邊緣點(diǎn)向右偏移了0.136 cm；右側(cè)邊緣點(diǎn)在自重場中向右偏移量為0 cm，到二襯后向左偏移量為0.132 cm，施工過程中右側(cè)邊緣點(diǎn)向左偏移了0.132 cm。

2)從隧道初襯和二襯主應(yīng)力場分析，初襯的第一主應(yīng)力在墻頂與拱腳接觸部位取最大值，為0.378 MPa，第三主應(yīng)力在墻頂與拱腳接觸部位取最小值，為-6.877 MPa；二襯的第一主應(yīng)力在墻頂與拱腳接觸部位取最大值，為0.057 MPa，第三主應(yīng)力在墻底、仰拱腳接觸部位取最小值，為-2.784 MPa。主應(yīng)力都小于混凝土的抗壓強(qiáng)度。

3)從塑性區(qū)分析，二襯完后，在邊墻墻腰部位出現(xiàn)了寬度大約為7.2 m,深度大約為4.0 m的塑性區(qū)。拱腳和仰拱腳附近也出現(xiàn)了小范圍的塑性區(qū)。

3 結(jié)語

通過對臺階開挖方式下隧道的變形、襯砌的受力條件和圍巖塑性區(qū)的分析，可以得出如下結(jié)論：

在大斷面隧道中，上下臺階法能控制圍巖的變形，且使襯砌有較好的受力條件，但是圍巖在施工過程中出現(xiàn)了較大的塑性區(qū)。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，在圍巖條件較好地段可以采用臺階法，但要注意適當(dāng)加固圍巖；在圍巖條件惡劣的地段應(yīng)選用更為安全的開挖方法。

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Simulation analysis of a tunnel with bench method

Zhou Gang

(NuclearIndustrySouthwestSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd,Chengdu610031,China)

Taking a tunnel in Gansu as an example, the stability of large span tunnel with bench method is studied with finite element analysis. After analyzing the tunnel deformation, plastic zone of surrounding rock and stresses of preliminary lining, the result shows that, with bench method, it is able to control the deformation of surrounding rock, and get ordinary lining force conditions, but it emerged a larger plastic zone in construction process. The results provide a suggestion for tunnel construction.

large span tunnel, bench method, finite element software, surrounding rock

1009-6825(2017)15-0145-03

2017-03-07

周 剛(1978- )，男，博士，高級工程師

U455

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