团山子隧道稳定性数值模拟研究

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1、团山子隧道稳定性数值模拟研究　　摘要：根据团山子隧道的工程概况和主体设计，以及大量的施工现场跟踪调研资料，研究团山子隧道围岩变形破坏特征、机理及影响围岩稳定的各种因素。以弹塑性理论为基础，运用ANSYS有限元分析程序，建立数值模型，对同种支护条件下不同施工开挖方式围岩变形规律及围岩稳定性的影响进行了模拟计算分析，以了解它们在不同施工开挖方式条件下的异同点，从围岩变形稳定性的理论、支护方法等几方面对变形稳定性预测。关键词：围岩稳定；数值模拟；稳定性预测中图分类号：U455文献标识码：A文章编号：1引言随着改革开放的进一步推进和基础设施的大规模建设，我国许多深

2、埋的隧道工程纷纷开始建设，这些隧道大多会穿越高地应力区、岩溶地区以及软弱围岩体地区。由于这些地区围岩条件多变，导致围岩失稳事故时有发生，给人民生命、财产造成巨大损失。因此，针对隧道施工围岩条件多变的特点，研究围岩施工稳定性规律具有一定的生产实际意义。根据团山子隧道的工程概况和主体设计，以及大量的施工现场跟踪调研资料，研究团山子隧道围岩变形破坏特征、机理及影响围岩稳定的各种因素。72工程概况沈阳铁路枢纽东北环线工程东北环线起点为田义屯站，终点为东陵站，虎石台至辉山间线路改为虎辉联络线，隧道入口里程为DK9+776，出口里程为DK13+040，隧道长度3264

3、m。全长3264m，团山子隧道属于浅埋、大段落软岩、大断面隧道，部分地段还穿越膨胀土和砾砂地层。团山子隧道位于低丘陵与辽河冲积平原交接地带，地势起伏较小，属剥蚀残丘陵地貌单元（波状台地），山顶最大标高128.0m，相对高差33～43m。根据勘察揭示，团山子隧道处在太古界及新生界岩性地层的区域内，场区的岩土层按其成因分类主要有：第四系上更新统坡洪积相沉积层（分为粉质黏土、黏土、卵石土、细圆砾土、膨胀土、砾砂等五个主层）和太古界混合花岗岩。3团山子隧道开挖过程模拟以团山子隧道DK10+931~DK10+940标段和DK10+518~DK10+525标段为研究对

4、象，基于模糊数学的理论知识对该这两标段隧道的开挖方法作了模糊优选，即DK10+931~DK10+940标段隧道以双侧壁导坑法开挖最为合理，而在DK10+518~DK10+525标段则优先采用三台阶开挖法。在这两个标段内，选取一个控制断面，断面位置为DK10+936用ANSYS对开挖过程进行二维弹塑性有限元分析。73.1团山子隧道控制断面开挖模拟岩层和支护参数的确定团山子隧道开挖模拟控制断面岩土层的物理力学参数、结构面发育程度和岩体结构确定岩层参数见表1和表2，隧道喷锚支护和临时支护岩物理力学参数见表3。表1团山子隧道（DK10+931~DK10+940）段

5、岩层参数表2团山子隧道（DK10+518~DK10+525）段围岩参数表3团山子隧道（DK10+931~DK10+940）段支护物理力学参数3.2团山子隧道开挖模型边界条件的确定团山子隧道设计速度，洞室的路面设计荷载为公路级。该隧道的建筑限界采用单洞净宽为14.4m，净高为12.3m，建筑限界高度为13.1m。7在模拟团山子隧道双侧壁导坑法开挖时，计算模型取隧道开挖断面的5倍以上净宽，X的正方向和负方向取80m，Y负方向取为56m，Y的正方向则根据隧洞的埋深确定。根据团山子隧道断面图以及围岩岩层的分布，确定开挖几何模型，选取Solid42模拟隧道围岩，Be

6、am3用来模拟初次和临时支护，Link8用来模拟锚杆。模型的上面为自由面，左右边界x方向位移约束，下表面y方向位移约束。由于隧道开挖过程中七成以上的荷载都有初次衬砌承受，二次衬砌更多的时候只是一种安全的储备，因此这里只模拟初次衬砌。3.3团山子隧道控制断面双侧壁导坑法开挖过程模拟分析隧道的开挖过程中，会改变围岩的应力状态，为了能够更好的分析开挖后的围岩的应力状态，首先对团山子隧道DK10+931~DK10+940标段的控制断面DK10+936的初始地应力状态进行模拟分析。模拟的结果如下：图1第五步拆除临时支护后图2第五步拆除临时支护后X方向位移云图Y方向位

7、移云图从图1X方向位移图可知，隧道开挖完毕临时支护拆除后隧洞附近X方向的最大值出现在左右两侧隧洞的两帮处，大约分别为-0.73mm和0.73mm，而拱顶和仰拱处位移较小。从图2Y方向位移图，隧道临时支护拆除后时拱顶的Y方向位移最大，其最大值约为5.6mm，隧洞顶累计Y方向位移大19cm。且模型顶面此时有较大的沉降，沉降值约为34mm，从开挖开始到第五部临时支护拆除后，总的位移达到2.3m左右。而左右两侧开挖区域的位移场大部分是对称于Y轴的。图3第五步拆除临时支护后图4第五步拆除临时支护后7衬砌弯矩图衬砌轴力图由图3可以看出，隧道开挖完毕临时支护拆除后，支护

8、结构最大弯矩出现在初次衬砌左上侧和右上侧，最大值约为-10.71K