基于有限單元法雙隧道開挖土壤變化研究

蔣 偉 張昆昆

（西京學院，陜西 西安710000）

1 概述

此示例模擬雙隧道開挖期間土壤的行為。表面隧道周圍的沉降和塑性區(qū)的寬度很重要。在開挖的過程中必須要預測加固所需要的的參數(shù)以及材料自身的因素。

本示例為了計算地層應力并研究變化規(guī)律，采用了2 個研究布置來進行有限單元法對雙隧道開挖過程土壤的變化規(guī)律研究。第一個研究是為開挖隧道前土壤的應力變化規(guī)律狀態(tài)，第二個研究計算的是土壤被挖出后隧道周圍土壤的彈塑性變化研究，這是需要第一步研究作為基礎(chǔ)來進行的。

1.1 幾何參數(shù)

幾何結(jié)構(gòu)由寬100m，深60m 的土層結(jié)構(gòu)組成。兩個隧道的半徑都為5m，第一個隧道位于對稱軸上，離表面下15m 處。第二個隧道位于對稱軸上，離表面下35m 處。地表以下60m 處，一塊基礎(chǔ)巖石，限制垂直方向的位移，并使用滾珠邊界模擬土壤在橫向的無限延伸方向。

1.2 土壤參數(shù)

土壤特性楊氏模量，E=12 兆帕，泊松比v=0.495。粘聚力c=130kpa，內(nèi)摩擦角φ=30°使用Drukcker-prager 標準，并且將材料參數(shù)匹配為莫爾- 庫倫準則。[7-10]

1.3 加載條件

在地層下邊界使用固定的約束邊界固定位移，抵抗豎向沉降。在左邊界使用對稱約束，在有邊界使用滾輪約束。在頂部保持土層磨人的自由邊界，同時保持隧道的自由邊界。并從該區(qū)域清除土壤后的墻。最后添加重力節(jié)點依以考慮重力效果下的應力等變化。

圖1 隧道開挖示例的尺寸和邊界條件

圖2 隧道開挖前土層中的應力分布

2 有限元分析

2.1 幾何尺寸建立（圖1）。

2.2 隧道開挖前后的應力分布（圖2-3）。

圖3 顯示了隧道開挖后土層中的應力分布情況，土地應力從第一布研究開始計算。由上述可以看出雙隧道頂部上方土層的周圍應力遠高于周圍的土層的應力，這說明了在隧道開完后，由于缺少了一部分土壤，整個幾何體的的應力向下轉(zhuǎn)移。整個幾何體的變形以豎向沉降為主。

2.3 土壤塑性

在第二步研究過程中，刪除了隧道區(qū)域的幾何體，并增加了土壤塑性特征。而圖4 顯示了土壤的塑性變化過程。

2.4 水平位移和頂面沉降

由圖5 分析可得出，土體的表面在隧道開挖后會有些許水平位移，水平位移的趨勢逐漸增大在接近弧長數(shù)值20 時增長趨勢停止，而當弧長數(shù)值繼續(xù)增大時水平位移呈逐漸減小的趨勢直至位移不變。

由圖6 分析可得出，土體的表面在隧道開挖后會出現(xiàn)土壤表面沉降，表面沉降的趨勢隨著弧長的逐漸增大而呈曲線上升的趨勢，在沉降達到-2.77m 附件時趨于平緩。

圖3 雙隧道開挖后土層中的應力分布

圖4 雙隧道開挖后附件區(qū)域的塑性變形

圖5 頂面水平位移

圖6 表面沉降

3 結(jié)論

本文針對所建立的雙隧道開挖模型基于comsol 軟件進行分析，求解得到了隧洞開挖過程中的土力學相應，以便對雙隧道開挖之間的應力變化，以及形變的影響進行預測。本文對隧道開挖的模擬是一步完成的，而實際的巖土工程并非如此。但本文的模擬的方法沒有考慮到支護的情況。但是軟件的計算分析是考慮在線彈性內(nèi)而進行的，即一步進行開挖和分部開挖的計算結(jié)果是一致的。由以上研究結(jié)果可得知，雙隧道開挖后，兩個隧道之間的塑性形變、應力變化并沒有太大的影響。而兩個隧道開挖后，下方隧道上部及下部的塑性形變、應力變化要高于周圍土壤的變化。