偏壓狀態(tài)下非對稱連拱隧道有限元分析

王佳欣， 陳振邦， 徐 燕

(1.吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130026； 2.鎮(zhèn)江新區(qū)管委會，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

連拱隧道因具有占地面積小、空間利用率高的優(yōu)點，廣泛應用于地形狹窄地段。非對稱連拱公路隧道作為一種復雜的連拱隧道結構型式，雖然數(shù)量不多，但已有相關研究。汪海濱[1]等結合實例，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)反分析，利用模擬試驗，對非對稱開挖后位移變化進行研究；朱合華[2]等利用平面有限元方法對非對稱連拱隧道進行數(shù)值模擬分析，研究其在施工過程中的應力應變情況；于海洋[3]等利用有限元軟件對非對稱連拱隧道施工方法、加固效果進行了二維數(shù)值模擬分析，揭示了施工過程中不同施工方法和注漿措施對隧道周邊變形和初期支護結構的影響；胡學兵[4]等結合具體實例，對非對稱隧道結構的力學機理進行研究；陳秋男[5]等對中國公路連拱隧道的設計、施工研究作了一些綜述；翁其能[6]等用三維軟件對雙連拱隧道開挖進行仿真模擬分析。

受線路位置和地形條件的限制，非對稱連拱隧道的修筑將不可避免地穿越偏壓地形，偏壓地形條件下非對稱連拱隧道具有幾何不對稱、結構不對稱和左右荷載不對稱等復雜的力學特征[7-8]，目前對偏壓條件下連拱隧道非對稱支護結構受力特征研究較少。非對稱連拱隧道兩個洞徑大小不一，在偏壓隧道中就出現(xiàn)2種情況：一種是小洞徑處于埋深小的一側(下文簡稱“工況1”)，一種是小洞徑隧道處于埋深大的一側(下文簡稱“工況2”)，本文針對偏壓狀態(tài)下的非對稱連拱隧道兩種工況，進行圍巖和襯砌結構受力和變形有限元數(shù)值模擬，研究兩種工況下圍巖及襯砌結構受力及變形特征，從而為隧道的設計提供一定的理論依據(jù)。

1 模型建立及參數(shù)設定

采用平面應變模型，巖體為理想彈塑性材料，僅考慮自重應力的作用。小隧道洞寬11.368 m，洞高7.848 m，大隧道洞寬14.21 m，洞高9.81 m。考慮隧道開挖的影響范圍大于3倍洞跨，隧道底邊距模型下邊界42 m，隧道兩側距模型左右邊界各取42 m。偏壓坡度比為1∶2，最小覆蓋層厚度為12 m，屬于淺埋偏壓隧道(圖1、圖2)。本模型左、右和下部邊界均施加法向約束，上部為自由邊界[9]，隧道采取全斷面開挖形式。

圖1工況1隧道網格模型圖2工況2隧道網格模型

隧道圍巖選?、跫墖鷰r，其圍巖彈性模量、泊松比、重度、內摩擦角以及粘聚力根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》(JTG D70—2004)表A.0.4-1Ⅴ級圍巖指標值確定，錨桿的加固效果采用提高圍巖的物理力學參數(shù)進行模擬，具體方法為將錨桿加固范圍的圍巖等級提高一級[10]，加固厚度為1.1 m，襯砌結構采用鋼筋混凝土材料，厚度為40 cm(表1)。

表1 圍巖和襯砌物理力學參數(shù)

2 數(shù)值模擬分析

利用ANSYS軟件分別對圖1和圖2所示隧道進行數(shù)值仿真模擬，分析其開挖支護后圍巖總位移、圍巖主應力值及襯砌內力。

2.1 圍巖總位移分析

圖3、圖4表示隧道經全開挖后圍巖的總位移情況。圖3所示圍巖最大位移為113.12 mm，圖4所示圍巖最大位移為112.89 mm，兩種工況位移量都很小，且相差不大。

2.2 圍巖主應力

為描述不同偏壓條件下隧道洞室的穩(wěn)定性和襯砌結構的受力變化特性，引入偏壓系數(shù)λ。偏壓系數(shù)計算公式為：

圖3 工況1總位移(單位：m)

圖4 工況2總位移(單位：m)

(1)

式中：σ左、σ右——分別為左側、右側特征點圍巖應力值，kPa；σ0——平均圍巖應力值，kPa。

通過軟件模擬分析，得到各個特征點圍巖的最大、最小主應力值。根據(jù)得到的最大、最小主應力值，通過式(1)計算出偏壓系數(shù)，其數(shù)值如表2、表3所示。表中主應力正值為拉應力，負值為壓應力。

表2 各特征點圍巖最小主應力

表3 各特征點圍巖最大主應力

分析表2、表3可知：

(1)從最大、最小主應力可以看出，不管是工況1還是工況2所示隧道，其淺埋一側的隧道在拱腰、拱腳處應力值要小于深埋一側的隧道應力值，但是拱頂處淺埋一側應力值大于深埋一側，這是因為開挖前后地層遭到擾動，此時主要以應力釋放和沉降變形為主，隨著變形增大，深埋側地表開始出現(xiàn)拉應力，應力增大，拱頂上部淺埋地層會出現(xiàn)拉裂破壞。顯然在本例中只在深埋側地段出現(xiàn)了拉應力，抵消了一部分壓應力，故深埋段拱頂壓應力小于淺埋段拱頂壓應力。

(2)從偏壓系數(shù)的角度出發(fā)，工況1出現(xiàn)的偏壓系數(shù)數(shù)值大普遍大于工況2，說明工況1的隧道圍巖受力更不均勻。

2.3 襯砌內力

襯砌彎矩圖和軸力圖見圖5～圖8。

圖5 工況1彎矩圖(單位:kN·m)

圖6 工況2彎矩圖(單位:kN·m)

圖7 工況1軸力圖(單位:kN)

圖8 工況2軸力圖(單位:kN)

分析圖5～圖8可知:

(1)從彎矩圖可以看出，2種工況拱腳兩側彎矩值較大，且深埋一側彎矩值達到最大。所以應加強拱腳的剛度，比如設置鎖腳旋噴樁。

(2)從軸力圖可以看出，深埋一側拱腳處軸力值達到最大，拱底處出現(xiàn)拉應力。

3 結論

(1)非對稱連拱隧道在偏壓狀態(tài)下受力復雜，不同于一般的隧道。圍巖、襯砌內力處于非對稱狀態(tài)，且在同一個非對稱連拱隧道中，大洞徑隧道所受內力明顯大于小洞徑隧道，這是由于圍巖受到擾動，圍巖壓力發(fā)生重分布，隧道圍巖、襯砌內力也隨之變化，大洞徑隧道所受擾動大，圍巖釋放的應力大，所以其內力值就更大。

(2)綜合分析圍巖應力、襯砌內力，對比非對稱連拱隧道的兩種方案結果，可以得出這樣一個結論:在偏壓狀態(tài)下，非對稱連拱隧道中的小隧道應設計在埋深大的一側。這樣設計一方面可以減小由于偏壓效應所導致的剪切破壞，另一方面可以減小壓應力對隧道結構的破壞。

(3)在結構設計時，應對圍巖受力不利的一側適當加強支護，對圍巖受力較好的一側適當減小支護，即進行非對稱結構設計。

[1] 汪海濱,李小春,高波,等.城市淺埋大跨連拱隧道非對稱開挖地表沉降偏態(tài)性研究及其對策[J].巖石力學與工程學報,2008,27(S1):3203-3209.

[2] 王亞瓊,張少兵,謝永利,等.淺埋偏壓連拱隧道非對稱支護結構受力性狀分析[J].巖石力學與工程學報,2010,29(S1):3265-3272.

[3] 朱合華,葉斌.大跨度非對稱連拱隧道施工力學研究[C]// 中國巖石力學與工程學會.巖石力學新進展與西部開發(fā)中的巖土工程問題：中國巖石力學與工程學會第七次學術大會論文集.2002.

[4] 胡學兵,肖博,吳勝忠.非對稱連拱隧道設計技術研究[J].公路交通技術,2013,(1):91-96.

[5] 陳秋南,張永興,劉新榮,等.連拱隧道的設計理論與動態(tài)施工力學研究[J].地下空間與工程學報,2005,1(1):156-160.

[6] 翁其能,袁勇,杜國平,等.雙連拱隧道開挖整體性態(tài)三維數(shù)值仿真分析[J].地下空間與工程學報,2006,2(1):96-100.

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[8] 安鵬程,陳劍平,邱道宏.偏壓連拱隧道圍巖穩(wěn)定性分析與現(xiàn)場監(jiān)控量測[J].吉林大學學報:地球科學版,2008,38(2):285-289.

[9] 李權.ANSYS在土木工程中的應用[M].北京:人民郵電出版社，2005.

[10] 李圍.隧道及地下工程ANSYS實例分析[M].北京:中國水利水電出版社，2008.