长坝隧道出口偏压段动态施工数值模拟探究

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1、长坝隧道出口偏压段动态施工数值模拟探究摘要：结合工程实际，对长坝隧道出口偏压段的动态施工过程进行了数值模拟，以指导施工实践。关键词：偏压隧道；数值模拟；结构受力Abstract:combinedwiththeengineeringpractice,onlongdamtunnelexitbiassectiondynamicconstructionprocesswassimulated,toguidetheconstructionpractice.Keywords:biastunnel;numericalsimulation;structurestress中图分类号：U455文献标识

2、码：A文章编号：1概述6长坝隧道为重庆市武隆—水江高速公路的双线越岭二车道隧道。隧道左线起迄里程ZK39+010～ZK39+643，长633m；右线K39+008.26～K39+718，长709.74m。隧道主洞建筑限界：净宽10.25m,净高5.0m。由于线形的限制，在出口地段隧道受到偏压的影响，设计中采用先挖右洞、后挖左洞的上下台阶施工方法。为了配合和指导施工，文中选取出口里程桩号为K39+610处的典型偏压断面进行动态开挖过程的数值模拟研究，该处围岩级别为Ⅴ级。设计参数：初期支护采用I18@60cm工字钢架，C20喷射混凝土厚25cm，系统锚杆采用长度3.5m的25@80c

3、m×80cm中空注浆锚杆，二次衬砌为50cm厚的钢筋混凝土。2计算模型建立及施工过程的数值模拟本文采用具有模拟分部开挖和支护的同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析商业软件（GeoFBA2DV2.4），依据长坝隧道出口段K39+610处的地质原型，建立了有限元模拟计算模型。初始状态模型中，上表面与实际一致，定为自由面；模型底边距隧道底部约3B（B—隧道宽度），约束垂直方向位移；模型左右侧距隧道边墙分别为3B，均约束水平方向的位移（图1）。计算模型中，对初期支护体系中的喷层砼、锚杆采用杆单元仿真模拟，工字钢架、二次衬砌砼均采用梁单元来仿真模拟。而初期支护中的钢筋网、纵向连接筋等对喷射

4、混凝土力学性质的贡献作为安全储备，不予考虑。计算时选用了弹塑性物理模型和德鲁克—普拉格准则。有限元计算中的介质参数如表1。图1有限元计算模型表1有限元计算参数表6计算过程中把整个施工过程分为8步加以仿真模拟分析：第S0步（初始状态）→第S1-1步（开挖右洞上台阶）→第S1-2步（对右洞上台阶施作喷锚支护）→第S2-1步（开挖右洞下台阶）→第S2-2步（对右洞下台阶施作喷锚支护）→第S3-1步（开挖右洞仰拱部分）→第S3-2步（施作右洞仰拱）→第S4步（右洞施作拱墙全断面二次衬砌混凝土）→第S5-1步（开挖左洞上台阶）→第S5-2步（对左洞上台阶施作喷锚支护）→第S6-1步（开挖左

5、洞下台阶）→第S6-2步（对左洞下台阶施作喷锚支护）→第S7-1步（开挖左洞仰拱部分）→第S7-2步（施作左洞仰拱）→第S8步（左洞施作拱墙全断面二次衬砌混凝土）。3数值模拟结果分析出口段K39+610的偏压断面有限元动态仿真数值模拟计算内容包括：施工各阶段的围岩应力场、位移场、屈服区和支护衬砌结构内力等，经综合分析，得到如下成果：(1)最终状态下的主应力场分析中,左、右洞周拱腰、拱肩处围岩应力集中现象最为明显。左、右洞最大主应力和应力集中系数最大值均出现在右侧拱肩围岩中。表2给出了左、右洞拱腰、拱肩处特征点的围岩应力集中系数。由于偏压作用的影响明显，右洞各部位的主应力值大体上比

6、左洞相同部位大30%左右。表2最终状态下左、右洞拱腰拱肩处围岩应力特征表6(2)隧道开挖支护过程中，洞室周边土体围岩均产生向洞内收敛的位移，致使洞空断面缩小。左洞拱顶处围岩最终累积下沉量为1.4mm，仰拱中部处围岩最终累积底鼓量为4.0mm；右洞拱顶处围岩最终累积下沉量为3.2mm，仰拱中部处围岩最终累积底鼓量为5.4mm。由于偏压作用的影响明显，最终状态下右洞的累计拱顶下沉量明显大于左洞，且右洞右侧围岩各特征点处的累积位移均大于左侧相应位置处的累积位移值。(3)右洞在洞室两侧均出现一定程度的屈服区，且在拱脚部位较大；由于地形偏压的影响，右洞右侧拱腰和拱脚部位屈服区的范围明显比左

7、侧相应部位屈服区大，而右侧拱脚部位屈服区最大深度大于左侧拱脚3m左右；而左洞由于埋深浅，仅在两侧拱腰部位出现很小范围的屈服区。(4)开挖过程中左、右洞锚杆轴力均很小处于安全状态，在偏压作用的影响下，右洞的锚杆轴力明显大于左洞的锚杆轴力；左、右洞右侧的锚杆轴力值也大于左侧相应位置。隧道开挖支护完成后,锚杆的轴力均小于15kN,表明锚杆有足够的应力储备。型钢支撑主要承受轴力作用，在拱肩和拱腰之间部位所受轴力最大。(5)二次衬砌及仰拱内力计算分析表明：上下台阶法设计、施工总体而言是很安