云南某浅埋隧道开挖模拟分析研究

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1、云南某浅埋隧道开挖模拟分析研究：本文通过对云南某浅埋隧道开挖进行了三维模拟分析研究，分别计算了该浅埋隧道围岩在x、y方向的位移，锚杆支护应力变化、隧道围岩应力应变等情况计算分析，对指导工程实践具有一定的指导意义。　　关键词：浅埋隧道、三维模拟ANSYS　　：U45：A：　　Abstract:InthispaperanalysisofashalloensionalsimulationinYunnan,calculationofthedisplacementinx、ydirection、thestressofboltsupp

2、ortthestress-strain.itensionalsimulationandanalysis、ANSYS　　1前沿　　浅埋隧道开挖过程中由于岩土体物质被挖出，必然会引起地表沉降及相应的地表损失，主要是由于地层损失和在新的应力状态下土层及围岩应力的重分布，使地表、拱顶、围岩产生相应的变形收敛。不可避免将会引起围岩地表的变形、塌陷、应力重分布。为了避免潜在的不安全因素，结合隧道开挖现状及各区域物理力学参数特性，对该浅埋隧道开挖利用ANSYS计算软件进行模拟分析研究，旨在指导工程实际。　　2ANSYS软件分析问题流程

3、　　ANSYS软件解决工程问题首先是定义材料类型、建立几何模型、划分X格施加边界条件、力或位移的加载，最后求解分析计算结果。利用ANSYS分析问题的流程如图1—1所示：　　　　图1-1ANSYS计算模型的流程图　　3隧道开挖模拟计算　　本文以云南某浅埋隧道为研究对象，其尺寸分别为径跨16m，宽15米，净高为8米，有效净高为5米的双线马蹄形隧道。最大埋深为40米，最浅埋深为10.5米。计算长度取为100m。隧道计算选用的物理力学参数如表1所示。　　表1隧道各区域的物理力学参数　　　　　　3.1围岩地表变形与应力分析　　（1

4、）地表下沉量的模拟计算　　隧道围岩地表的变形主要受到开挖扰动、地层损失、剪切破坏固结及断面收缩的影响。模拟开挖方式分为三种：先开挖左隧道、先开挖右隧道或者左右隧道同时开挖。地表下沉量仅附同时开挖时的计算结果，分别开挖至20米处及100米处的沉降量如图2及3所示、三种开挖方式下地表的下沉量如图4所示。　　　　图2开挖至20米处的沉降量图3开挖至100米处的沉降量　　　　图4三种开挖方式地表的下沉量（mm）　　从稳定性而言，先开挖左线隧道较为合理。但由于三种开挖方式下地表变形的差别很小，即对于双线隧道，如果两隧道的间距相隔较

5、远，开挖对左右隧道的影响区域不会重叠，所以三种工况对围岩地表的总变形沉降量相差不大。　　（2）围岩的水平位移　　围岩地表的水平变形见图5、6所示，每开挖20米地表围岩的水平位移见表2所示。　　　　图5开挖至20米围岩水平变形图6开挖至100米围岩水平变形　　表2地表围岩的水平位移　　　　　　可以得出：在隧道中心线两侧地表产生了指向隧道中心轴线方向的变形。地表沉降是在隧道中心线两侧地表产生了向中心轴线的倾斜变形，且沉降量最大，总的来看，地表水平位移的变形量要小于地表的竖直沉降量。　　隧道围岩的水平变形有压缩、拉伸两种变形形

6、式。拉伸变形对地表围岩的破坏作用大，但过量的压缩作用将使构筑物发生挤碎性的破坏。通过计算可得沿x正向发生了压缩变形，沿x反方向主要表现为拉伸变形。　　开挖引起地表围岩的变形主要与左右隧道中心线之间的距离、隧道的埋深有关，当两隧道中心之间的水平距离L大于隧道中心与地表面距离H时，将在中心连线的垂直轴线位置产生最大的沉降量，地表沉降槽为单峰形态。对于浅埋隧道由于上覆围岩埋深较浅，在开挖的过程中地表围岩受到的扰动较大，地层损失相对也较大。　　3.2围岩塑性应变分析　　随着开挖进尺的推进，当开挖至20m及100m处时，该浅埋隧道

7、围岩塑性应变的计算结果见图7、8所示，开挖至不同距离处围岩塑性应变最大值变化值见图9所示。　　可以看出开挖几乎不会产生围岩的塑性变形，说明隧道围岩基本处于弹性变形阶段。塑性应变仅分布在围岩的底部区域。进而说明隧道埋深、开挖距离对隧道围岩的塑性区有一定的影响。　　当应力重分布超过围岩强度时是发生塑性应变的主要原因。围岩拉应力达到了抗拉强度，局部区域的剪应力达到了围岩的抗剪强度。从隧道围岩的塑性区分布形式，可以确定本隧道整体结构是稳定的。　　　　图7开挖至20m围岩塑性应变云图图8开挖至100m围岩塑性应变云图　　　　图9开

8、挖至不同距离处围岩塑性应变最大值变化图　　3.3锚杆加固的应力应变　　该浅埋隧道锚杆支护是将金属制成的锚栓装置插入岩层中，然后用水泥砂浆固定。锚杆加固各阶段的第一主应力变化如图10至11所示，各开挖阶段锚杆加固区域第一主应力变化值见图12所示。　　（1）锚杆加固的第一主应力　　　　图10开挖至20米锚杆第一主应力图1