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1、隧道管棚超前支护技术及其数值的模拟ok3厚的预支护结构,如图1所示。3、隧道开挖过程的数值模拟3.1计算模型的建立选取计算模型的水平方向(x向)长度为18m,纵向(y向)长度为72m,竖向高度(z向)为22m,高速公路的宽取为20m,整个模型的坐标原点(000)为四部开挖的交界点。隧道的围岩采用六面体单元(brickelement),初期支护采用壳体单元(shellelement),管棚采用壳体单元(shellelement),计算模型如图2所示。模型边界条件为:水平方向的位移约束,fixxrangex-18.1-
2、17.9,fixxrangex17.918.1;隧道轴向前后两侧边界的约束:fixyrangey-0.10.1,fixyrangey71.972.1;底部边界的位移约束:fixzrangez-8.1-7.9,顶部为自由面不约束。3.2模型参数的选取围岩采用摩尔―库仑(Mohr-Coulomb)模型。隧道下穿高速公路段围岩主要为人工填土,根据实际情况,围岩材料参数按表1选取。初期支护采用壳单元进行模拟,其中钢拱架的作用采用等效方法予以考虑,即将钢拱架弹性模量可按式(1)折算给喷射混凝土。3.3初始地应力模拟在此隧道地
3、表附近,围岩的初始应力主要是由于重力作用引起的,应力随着深度的增加而增大。这里只考虑围岩的自重应力,围岩的侧压力系数,将围岩材料参数赋值给计算模型后求解。可得到模型的初始应力场分别如图3所示。3.4隧道开挖与支护模拟在FLAC3D中,零模型(null)通常用来表示被移除或开挖掉的材料,且移除或开挖区域的应力自动设置为零。在隧道开挖之前,在开挖轮廓线外先将大管棚区域设置为零模型(modelnull),然后用壳单元模拟。根据现场的施工工艺、施工进度,可通过如下步骤模拟整个隧道的施工过程:①按6m步距开挖一部(0~6m)
4、,求解平衡,然后用壳单元模拟初期支护和临时支护;②按6m步距开挖一部(6~12m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖二部(0~6m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临[1][2][3]下一页ok3步距开挖一部(12~18m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖二部(6~12m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖三部(0~6m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;④按6m步距开挖一部(18~24m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支
5、护;按6m步距开挖二部(12~18m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖三部(6~12m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖四部(0~6m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;⑤按6m步距开挖一部(24~30m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖二部(18~24m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖三部(12~18m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖四部(6~12m),求解平衡,用壳单元
6、模拟初期支护和临时支护;按6m开挖仰拱(0~6m),求解平衡,删除临时支护,恢复仰拱的材料参数模拟仰拱浇筑;⑥按6m步距开挖二部(24~30m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖三部(18~24m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖四部(12~18m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m开挖仰拱(6~12m),求解平衡,删除临时支护,恢复仰拱的材料参数模拟仰拱浇筑;⑦按6m步距开挖三部(24~30m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距
7、开挖四部(18~24m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m开挖仰拱(12~18m),求解平衡,删除临时支护,恢复仰拱的材料参数模拟仰拱浇筑;⑧按6m步距开挖四部(24~30m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m开挖仰拱(18~24m),求解平衡,删除临时支护,恢复仰拱的材料参数模拟仰拱浇筑。⑨按6m开挖仰拱(24~30m),求解平衡,删除临时支护,恢复仰拱的材料参数模拟仰拱浇筑。根据上述开挖和支护模拟方法,可以模拟整个隧道施工过程,在模拟过程中分别对设置管棚和不设置管棚两种情况进行模
8、拟计算,并对比两种模拟结果分析评价管棚的支护效果。4、数值模拟结果及对比4.1隧道围岩的变形图4为不同工况下设置管棚隧道的竖向(z向)位移,图5为不同工况下不设管棚隧道的竖向(z向)位移。其中正值表示位移与z轴方向相同,负值表示位移与z轴相反。从图4可看出:在隧道开挖过程中,由于隧道埋深较浅,隧道掌子面前方一定范围内的围岩会发生变形,且变形范围达到地表,表现
