偏压连拱隧道中隔墙力学特性数值分析.doc

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1、.偏压连拱隧道中隔墙力学特性数值分析摘要：中隔墙作为连拱隧道的中枢结构和重要承载构件，其受力及位移情况往往对工程成败和安全起着决定性作用。本文针对张石高速公路某偏压连拱隧道工程实例，利用数值有限元法，并结合中隔墙主筋轴力现场监测量测分析，对偏压连拱隧道中隔墙的受力特征及变形进行了研究。关键词：偏压连拱隧道；中隔墙；模拟计算；监测abstract:inthewallasthearchofthecentralstructureofthetunnelandanimportantbearingcomponents,theforceanddis

2、placementoftenplaysadecisiveroleinengineeringthesuccessandsecurity.forceanddeformationofabiasforchangshihighway,archtunnelprojectinstance,usingnumericalfiniteelementmethod,combinedwiththemeasurementofwallreinforcementintheaxialforceon-sitemonitoring,thearchinthetunnelwa

3、llonbiaswerestudied.keywords:biasarchtunnel;inthewall;simulation;monitoring中图分类号：u45文献标识码：a文章编号：2095-2104（2012）1工程概况张石高速公路某连拱隧道全长550m，隧道工程地质较差，基岩为页岩，风化严重，上覆第四系粘土，含碎石、角砾，有顺层滑移伴危岩、落石等危险，围岩属ⅲ～ⅳ页.级围岩，隧道进口段上部围岩为一明显斜坡，因此隧道处于偏压状态。隧道内轮廓为单心园和直中墙组成，其内半径为550cm，隧道为单坡、直线隧道，纵坡3%。隧道建筑

4、界限为：净宽10.25m，净高5.0m。开挖界限为宽23.97m，高9.85m。2隧道结构的计算模型2.1基本假设本模型做了如下假设：1）计算模型为弹塑性应变，围岩进入塑性后，采用d-p准则，支护体系在线弹性范围内变化；2）岩体变形是各项同性的；3）隧道受力、变形为平面应变问题；4）围岩的初始应力场由自重应力构成，不考虑构造应力的影响。2.2本构模型岩石单元采用弹塑性应变模型，材料进入塑性状态的准则采用drucker-prager屈服准则，其表达式为：式中：、为d-p准则材料常数，为应力张量的第一不变量；为应力偏量的第二不变量。，式中

5、：、为岩体的粘聚力和内摩擦角。2.3数值模型的建立按照弹塑性力学理论及工程类比方法，一般选取3至5倍洞径为计算区域[3][4]。本模型选取中墙两边各50页.m，下部至隧道底部以下30m，上部选至地表。模型左右边界为水平约束，下边界为垂直约束，上边界是自由地表。采用弹塑性模型，围岩采用二维平面应变单元plane42单元进行模拟；初期支护（喷射混凝土、钢拱架）采用壳单元shell63单元起进行模拟；二次衬砌断面较大，采用plane82单元进行模拟；初期支护与围岩紧密接触，将其与围岩视为一体，而初期支护与二次衬砌采用接触单元来进行处理，两者

6、间只传递压应力不传递摩擦力。对于管棚注浆预加固和锚杆等加固的围岩，按经验采取提高c、φ值来模拟，喷射混凝土中的钢拱架也采用提高混凝土参数的办法来模拟。偏压连拱隧道有限元网格划分，模型共有8159个单元，26432个节点。3计算结果和分析3.1中墙随开挖进程应力及位移变化从数值模拟分析结果可知，中隔墙对于加强隧道围岩的稳定性、确保整座隧道支护系统的安全性至为关键。(1)在偏压隧道的各个施工阶段，中隔墙始终承受着巨大偏向围岩压力，顶部和底部的水平应力分量为方向相反的张应力，在这对力偶的作用下，中隔墙墙身中部向左侧鼓出，基脚右趾向上抬起。整

7、道隔墙具有顺时针偏转的态势，为避免连拱隧道施工过程中可能的剪切错动破坏，故隧道施工过程应尽量减少隧道中隔墙承受的围岩压力。(2)页.随着隧道的左右洞上下台阶的交替开挖，中墙承受的压力在浇筑中墙时较小，随着左右洞室的开挖而变得越来越大，偏压中墙的两端均出现了应力集中现象；中墙顶部压力达到2.85mpa，比开挖左洞下台阶时的中墙顶部压力增加了1.73mpa；中墙底部压力局部达到2.52mpa，比开挖左洞下台阶时的中墙底部压力增加了1.02mpa。(3)在左右洞室的上台阶开挖时，中墙应力增加最大，而下台阶开挖时，中墙应力变化不大，左洞上、下

8、台阶开挖时中墙应力左侧比右侧大，而当开挖右洞上、下台阶时中墙应力则转换为右侧比左侧大，中墙始终处于偏压状态。中墙顶部应力始终比其底部大，中墙顶底应力差的最大值原因是由于开挖时并非对称，中隔墙受力略偏向于左边的缘故。(4)