浅埋偏压小净距隧道施工过程数值模拟研究

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1、第36卷，第2期公路工程Vo1．36，No．22011年4月HighwayEngineeringApr．，2011浅埋偏压小净距隧道施工过程数值模拟研究刘正刚(湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙410008)[摘要]结合岩土材料的非线性特性，借助有限差分软件进行数值模拟分析，对各种不同斜坡坡度、不同埋深、不同净距情况下的围岩压力进行了数值模拟分析，并且对采用不同施工方法的浅埋偏压小净距隧道施工过程进行了动态数值模拟，得到了各种情况下围岩的应力场、位移场。所得的结论对以后浅埋偏压小净距隧道的设计和施工有一定的指导意义。[关键词】偏压小净距隧道；数值分析；围岩压力；施工力学

2、；FLAC[中图分类号】U452．2[文献标识码]B[文章编号]1674—0610(2011)02—0120—04StudyonShallowBiasTunnelforConstructionⅥrithNumericalSimulationMethodLIUZhenggang(HunanProvincialCommunicationsPlanning，PurveyandDesignInstitute，Changsha，Hunan410008。China)[Keywords]single—archfour—laneroadtunnel；numericalsimulatio

3、n；cross—sectionoptimum；con—structionmechanic本文数值模拟计算采用有限差分软件建立数值1前言分析模型，以此来模拟不同条件下隧道支护后围岩当前对于岩土体材料主要有3种力学求解方压力的变化情况。模型及模型网格划分见图1。法：精确解、数值方法和试验方法¨q】。由于力学课题本身的复杂性、非均质、非线性等特性，无法用单个方程或函数来求出精确解。在各种静、动载作用下，地层岩土介质与隧道结构相互作用相当复杂。只有那些具有理想的几何形状和材料性态，且载荷形式与边界条件简单的线弹性体系(或简化弹塑性体系)，我们才能得到较精确的解答。但是，对处于非

4、线性岩土体内的连续或不连续介质和任意几何外形的隧道结构，其力学计算必须借助于近似的数值方法，使用灵活、便捷，特别是随着计算机技术和高图1小净距偏压隧遒网格划分图等数学的迅速提高，数值分析方法在土木工程领域有着广阔的应用前景。2．2模型参数选择基于此，本文将针对小净距偏压公路隧道的围各项物理力学参数具体见表l。岩压力进行数值模拟及分析。2．3边界条件确定研究的隧道洞径B=10．5m，洞高日=9．6m，2计算模型的建立隧道净距n=6m，偏压角度及地表斜坡坡面倾角为2．1基本假定25。。隧道数值分析模型范围为：水平方向宽135[收稿日期】2011—02—10[作者简介】刘正刚

5、(1977一)，男，湖南邵东人，工程师，主要从事隧道工程研究与施工管理工作。第2期刘正刚，等：浅埋偏压小净距隧道施工过程数值模拟研究121m，左右线洞外侧分别向左、右两侧取54m；竖直方性关系；左线洞及右线洞洞壁附近产生复杂的应力向向下取距洞底55m，向上取至地表。计算时采用集中，因此应加强支护结构的强度；②隧道围岩竖的边界条件是：地表为自由边界，未受任何约束；计向应力在拱顶洞壁处相对较小，而在中隔岩柱及隧算模型的侧面受到法向的位移约束，允许竖直方向道内外两侧拱腰处明显增大。右线洞内侧拱腰处围的位移；模型的地层下部边界施加固定支座以约束岩竖向应力都大于左线洞内侧拱腰处的

6、竖向应力，所有位移。说明左线洞偏压效应更为明显。因此应加强中隔岩2．4重点分析部位确定柱的横向约束，充分发挥其“自紧作用”，增加中隔主要分析竖向压力和水平侧压力。竖向压力分岩柱的整体性，增强其稳定性。③对数值分析值普析点及水平侧压力分析点布置如图2。遍大于理论分析值，表明由于小净距的存在，使得隧道内侧产生了“复合拱”，左线洞与右线洞的围岩压4力相互影响较大。3．2斜坡坡度变化条件下围岩压力数值分析围岩竖向压力及水平侧压力数值分析值与理论l3分析值对比情况见表3，表4。l4表3围岩竖向压力对比值kPa·竖向压力分析点×水平侧压力分析点图2小净距偏压隧道测点布置图3数值分析

7、3．1隧道围岩压力分析在净距6m，左洞拱顶外侧的覆土厚度26m条件下，斜坡坡度25。条件下围岩竖向压力及水平侧压力数值分析值与理论分析值对比情况见表2。表2围岩竖向压力及水平侧压力对比值kPa从表2中可以看出：①左线洞及右线洞的应力场相互重叠，产生了复杂的应力重分布，且在围岩深从表3与表4中可以看出：处离隧道远处，围岩竖向应力大致与围岩埋深呈线①当隧道偏压角度由10。增至25。时，左线洞122公路工程36卷及右线洞的围岩竖向压力大都增加，但增长幅度不②当隧道埋深由15rll增至45m时，左线洞外大，表明隧道偏压效应随着偏压角度的增大而愈明