连拱隧道围岩空间有限元分析

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1、连拱隧道围岩空间有限元分析巫文汉1刘劲勇1邓凌燕2付珂2（1江西省交通设计院南昌330002）（2江西省公路管理局科研设计所南昌330002）摘要：在工程实际中，连拱隧道的开挖过程不是简单的平面应变问题，而是一空间问题。因此，本文通过对沪蓉西国道主干线——殷家岩双连拱隧道的计算，对隧道的开挖过程进行了三维模拟，通过空间模型的建立，实现了施工工序在空间上的安排，模拟分析连拱隧道开挖时的空间效应、左右洞的相互影响。对隧道的设计和施工有一定的指导意义。关键词：连拱隧道，围岩，二次衬砌0前言按平面应变问题对连拱隧道建立的平面应变模型，对开挖过程进

2、行了模拟分析，在一定程度上能够满足计算要求。但隧道的实际开挖为一空间问题，在开挖中，开挖掌子面附近围岩应属于三维应力状态，与平面应变状态有着差异。因此，对隧道进行三维开挖模拟，不仅能较为真实的模拟初期衬砌、二次衬砌、拱架和锚杆的物理力学参数与他们实际在隧道中的位置，而且可以模拟真正的开挖过程，实现施工工序在空间上的安排。本文将以沪蓉西国道主干线殷家岩连拱隧道为背景，来模拟连拱隧道施工过程开挖面的空间效应、左右洞的相互影响。1空间模型的建立由于空间计算时，数值模型较大，计算时需要耗费巨大的计算机资源，鉴于计算中所采用计算机速度和内存的不足，

3、因此，在模拟时，进行了简化，忽略了一些相对次要的因素。计算基于以下假定：1）计算中模型取为弹性，认为岩体及衬砌的受力和变形均在弹性范围内变化，忽略岩石由于粘弹塑性效应的影响；2）岩体的变形是各向同性的；3）围岩初始应力场不考虑构造应力，仅考虑其自重应力；4）初期衬砌与二次衬砌同时施作，不考虑之中的时间差影响5）锚杆和拱架仅对围岩施工爆破而引起的松弛的补强，计算中不予考虑。根据殷家岩隧道的结构设计尺寸建立了三维计算模型。理论分析表明，在均质弹性无限域中开挖的原形洞室，由于荷载释放而引起的洞周介质应力变化和位移变化，在五倍洞径范围之外将<1％

4、，3倍洞径之外约<5％。在本次计算中，模型计算范围在水平方向取距隧道单洞中心3.5倍开挖半径，上边界取隧道的最大埋深60m，下边界取为开挖跨度的3倍，同时，平行于隧道走向取开挖深度60m。模型的边界条件采用位移边界条件，在平行于隧道走向的两侧施加滑动支座，约束X方向的自由度而释放Y向上的自由度，以模拟隧道开挖时所引起的沉降，垂直于隧道走向的两侧施加Z方向的约束。有限元模型如图1：图1空间有限元模型示意图计算时考虑隧道施工中常用“一洞在前，一洞在后”的常用施工方案，并结合殷家岩隧道的实际分步开挖过程，对施工步骤进行了简化，第一步：中导洞的开

5、挖；第二步：中导洞衬砌；第三步：左洞前半部分开挖，开挖深度30m；第四步：左洞前半部分衬砌；第五步：左洞后30m开挖，第六步：左洞后30m衬砌；第七步：右洞前30m开挖，第八步：右洞前30m衬砌；第九步：右洞后30m开挖；第十步：右洞后30m衬砌。网格划分时，为保证单元形式的整齐，以方便计算过程的操作和分析式数据的提取，首先由ANSYS进行平面自由网格划分，继而将其拉伸成要求的空间网格。计算中所采用物理力学参数见表1。表1项目名称材料类别弹性模量E(GPa)泊松比μ容重γ（kN/m）岩体Ⅲ类围岩4.50.3522中导洞衬砌C20喷射混凝土

6、20.00.1623主洞衬砌C25模筑混凝土28.50.16232连拱隧道施工过程开挖过程的空间效应分析孙均教授在文献中对隧道开挖面的空间效应作了分析，认为隧道开挖面的空间几何效应在纵断面上表现为“半圆穹”约束，在横断面上则表现为“环形”约束，这两种约束方式的连合作用使得开挖面附近一定范围内的围岩体在无支护的情况下得以稳定。开挖面的环向约束效应在某种程度上受纵断面方向的“虚拟”支撑力影响，在横断面上它使得洞周围岩以及与支护结构共同构成的承载拱效应得到加强。并对隧道的开挖面在纵断面方向上的“半圆穹”效应约束作用作了探讨，用位移释放系数来衡量

7、开挖面的空间效应。殷家岩隧道结构形式由于采用连拱隧道结构形式，施工开挖的过程中，表现出明显的空间效应。无论是作为衡量围岩稳定性的拱顶沉降值，还是衬砌结构的应力变化情况，均与一般单洞开挖时开挖面在纵断面和和横断面上的约束作用存在差别。目前，从已有文献资料情况来看，对连拱隧道施工开挖过程中的空间效应问题，理论上的分析还不多见。由于篇幅有限，本文结合殷家岩隧道数值模拟结果，仅从施工中衬砌结构物的应力转换以及围岩沉降值等几个方面对殷家岩连拱隧道施工开挖过程中的空间效应进行分析。2.1不同施工阶段围岩沉降变化图2至图5显示了左右洞分成4个施工阶段进

8、行开挖时的沉降变化情况，从4个不同的施工阶段可以看到，左洞前半部分开挖时围岩沉降值最大，为18mm，之后随着支护的进行沉降值减小为17.2mm，随着左洞后30m的开挖及右洞的开挖过程，此时左洞