淺埋偏壓小凈距隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬研究

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1、第36卷，第2期公路工程Vo1．36，No．22011年4月HighwayEngineeringApr．，2011淺埋偏壓小凈距隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬研究劉正剛(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南長(zhǎng)沙410008)[摘要]結(jié)合巖土材料的非線性特性，借助有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)各種不同斜坡坡度、不同埋深、不同凈距情況下的圍巖壓力進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并且對(duì)采用不同施工方法的淺埋偏壓小凈距隧道施工過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，得到了各種情況下圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)。所得的結(jié)論對(duì)以后淺埋偏壓小凈距隧道的設(shè)計(jì)和施工有一定的指導(dǎo)意義。[關(guān)鍵詞】偏壓小凈距隧道；數(shù)值分析；圍巖壓力；施工力學(xué)

2、；FLAC[中圖分類(lèi)號(hào)】U452．2[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B[文章編號(hào)]1674—0610(2011)02—0120—04StudyonShallowBiasTunnelforConstructionⅥrithNumericalSimulationMethodLIUZhenggang(HunanProvincialCommunicationsPlanning，PurveyandDesignInstitute，Changsha，Hunan410008。China)[Keywords]single—archfour—laneroadtunnel；numericalsimulatio

3、n；cross—sectionoptimum；con—structionmechanic本文數(shù)值模擬計(jì)算采用有限差分軟件建立數(shù)值1前言分析模型，以此來(lái)模擬不同條件下隧道支護(hù)后圍巖當(dāng)前對(duì)于巖土體材料主要有3種力學(xué)求解方壓力的變化情況。模型及模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。法：精確解、數(shù)值方法和試驗(yàn)方法¨q】。由于力學(xué)課題本身的復(fù)雜性、非均質(zhì)、非線性等特性，無(wú)法用單個(gè)方程或函數(shù)來(lái)求出精確解。在各種靜、動(dòng)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(jiǎn)單的線彈性體系(或簡(jiǎn)化彈塑性體系)，我們才能得到較精確的解答。但是，對(duì)處于非

4、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(jì)算必須借助于近似的數(shù)值方法，使用靈活、便捷，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和高圖1小凈距偏壓隧遒網(wǎng)格劃分圖等數(shù)學(xué)的迅速提高，數(shù)值分析方法在土木工程領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。2．2模型參數(shù)選擇基于此，本文將針對(duì)小凈距偏壓公路隧道的圍各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)具體見(jiàn)表l。巖壓力進(jìn)行數(shù)值模擬及分析。2．3邊界條件確定研究的隧道洞徑B=10．5m，洞高日=9．6m，2計(jì)算模型的建立隧道凈距n=6m，偏壓角度及地表斜坡坡面傾角為2．1基本假定25。。隧道數(shù)值分析模型范圍為：水平方向?qū)?35[收稿日期】2011—02—10[作者簡(jiǎn)介】劉正剛

5、(1977一)，男，湖南邵東人，工程師，主要從事隧道工程研究與施工管理工作。第2期劉正剛，等：淺埋偏壓小凈距隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬研究121m，左右線洞外側(cè)分別向左、右兩側(cè)取54m；豎直方性關(guān)系；左線洞及右線洞洞壁附近產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力向向下取距洞底55m，向上取至地表。計(jì)算時(shí)采用集中，因此應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；②隧道圍巖豎的邊界條件是：地表為自由邊界，未受任何約束；計(jì)向應(yīng)力在拱頂洞壁處相對(duì)較小，而在中隔巖柱及隧算模型的側(cè)面受到法向的位移約束，允許豎直方向道內(nèi)外兩側(cè)拱腰處明顯增大。右線洞內(nèi)側(cè)拱腰處圍的位移；模型的地層下部邊界施加固定支座以約束巖豎向應(yīng)力都大于左線洞內(nèi)側(cè)拱腰處的

6、豎向應(yīng)力，所有位移。說(shuō)明左線洞偏壓效應(yīng)更為明顯。因此應(yīng)加強(qiáng)中隔巖2．4重點(diǎn)分析部位確定柱的橫向約束，充分發(fā)揮其“自緊作用”，增加中隔主要分析豎向壓力和水平側(cè)壓力。豎向壓力分巖柱的整體性，增強(qiáng)其穩(wěn)定性。③對(duì)數(shù)值分析值普析點(diǎn)及水平側(cè)壓力分析點(diǎn)布置如圖2。遍大于理論分析值，表明由于小凈距的存在，使得隧道內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了“復(fù)合拱”，左線洞與右線洞的圍巖壓4力相互影響較大。3．2斜坡坡度變化條件下圍巖壓力數(shù)值分析圍巖豎向壓力及水平側(cè)壓力數(shù)值分析值與理論l3分析值對(duì)比情況見(jiàn)表3，表4。l4表3圍巖豎向壓力對(duì)比值kPa·豎向壓力分析點(diǎn)×水平側(cè)壓力分析點(diǎn)圖2小凈距偏壓隧道測(cè)點(diǎn)布置圖3數(shù)值分析

7、3．1隧道圍巖壓力分析在凈距6m，左洞拱頂外側(cè)的覆土厚度26m條件下，斜坡坡度25。條件下圍巖豎向壓力及水平側(cè)壓力數(shù)值分析值與理論分析值對(duì)比情況見(jiàn)表2。表2圍巖豎向壓力及水平側(cè)壓力對(duì)比值kPa從表2中可以看出：①左線洞及右線洞的應(yīng)力場(chǎng)相互重疊，產(chǎn)生了復(fù)雜的應(yīng)力重分布，且在圍巖深從表3與表4中可以看出：處離隧道遠(yuǎn)處，圍巖豎向應(yīng)力大致與圍巖埋深呈線①當(dāng)隧道偏壓角度由10。增至25。時(shí)，左線洞122公路工程36卷及右線洞的圍巖豎向壓力大都增加，但增長(zhǎng)幅度不②當(dāng)隧道埋深由15rll增至45m時(shí)，左線洞外大，表明隧道偏壓效應(yīng)隨著偏壓角度的增大而愈明