公路双连拱隧道围岩稳定性分析

第10卷第3期

廊坊师范学院学报(自然科学版)

JournalofLangfangTeachersCollege(NaturnalScienceEdition)

Jun.2010Vol.10No.3

公路双连拱隧道围岩稳定性分析

戴　雨

(中交隧道局工程有限公司第五工程公司,天津300000)

【摘　要】　依托某双连拱隧道工程,基于软件平台3D-σ,对实际工程中的开挖方法进行了施工过程数值模拟,并与实际监测结果进行了对比分析,得出了可用以指导施工的可信性结论。【关键词】　双连拱隧道;围岩稳定性;数值模拟

AnalysisonSurroundingRockofDouble2AarchTunnel

DAIYu

σ,theactualconstruc2【Abstract】　Thispaperreliesonadouble2archtunnelengineering,software2basedplatformfor3D2

tionofthekindsofexcavationmethodsofthenumericalsimulationoftheconstructionprocess,andwiththeactualmoni2toringresultswerecomparedandanalyzedtheavailabletoguidetheConstructionofthecredibilityoftheconclusions.

【Keywords】　double2archtunnel;surroundingrockstability;numericalsimulation

〔中图分类号〕U455.7　　　　〔文献标识码〕A　　　　〔文章编号〕1674-3229(2010)03-0055-03

1　隧道围岩概述

1.1　隧址区自然条件采用空间二十节点等参元单元模拟,锚杆以杆单元模拟,钢拱架以梁单元模拟,喷射砼以壳单元模拟中隔墙衬砌做填土单元。

隧道位于安徽黄山境内,为直线连拱隧道,隧道区属于构造侵蚀中山区,隧道轴线海拔高程介于270.0-339.0m,山体地势陡峭,中部起伏不平,植

3　计算模型

材料力学参数参考隧道地质条件及相关数据要求选取,选取其中II类围岩,喷射砼、锚杆和钢拱架的力学参数按实际情况选取。

本模拟针对原设计方案的三导洞施工工序,同时在沿隧道轴线方向上面群的距离及网格划分,采取了两边疏中间密的模型方式。

三维有限元计算模型和网格离散示意图见图1,图中X为与隧道正交的水平方向,Y为垂直方

被发育,进口地形坡角35°-40°,出口段地形坡角约45°左右。

1.2　工程地质条件

隧址区发育的地层主要有:中元古界蓟县系大谷运组下段变砂岩,进口段分布第四系滑坡堆积层。根据《高速公路施工图工程地质勘察报告》,隧道穿越主要围岩类别为II、III、IV类三种。

2　模型采用准则和相关说明

在公路双联拱隧道有限元分析中,隧道的围岩材料特性按均质弹塑性体来考虑,采用Druker2Prager屈服准则,当材料进入塑性状态后,其应力应

向,Z为隧道走向方向。模型分别计算了建在II类和III类围岩中,隧道模型埋深60m,左右边都取其跨度的4倍,Z方向上原设计工艺模型取总长度25.5m,前面7.5m,中部3m按0.75m间距进行细

化,后面取15m,根据工艺参数调整,各优化对比模型在长度和面群间距上有所不同,但基本原则相同且长度相差不大。单元类型:六面体二十节点等参

变关系由塑性理论中的增量法求解。

在三维模拟中,模型将岩体作为理想弹塑性体,

[收稿日期]　2010-04-17

[作者简介]　戴雨(1977-),男,中交隧道局工程有限公司第五工程公司工程师,研究方向:交通土建。

・55・

2010年6月廊坊师范学院学报(自然科学版)第10卷・第3期

元;单元数:11296(随不同阶段有所变化),节点数

为:49107(随不同阶段有所变化)。计算模型的边界条件除上部为有荷载自由边界外,其余各侧面均为法向约束,地面为X、Y、Z方向上全约束,边界计算时仅按上部覆土重力场考虑。

中导洞开挖完后y轴向的位移云图以及核心土开挖完y轴向的位移云图见图4、图5。

4　有限元模拟结果与分析

4.1　有限元模拟结果

双连拱隧道施工复杂繁琐,施工步骤分十四步开挖。隧道施工工序亦按原设计方案:即中导洞开挖→中导洞支护→浇筑中隔墙→侧导洞开挖→侧导洞支护→主洞上断面开挖→主洞上断面支护→主洞下断面开挖。图2、图3为最初以及最后两个步骤:

4.2　有限元模拟结果与分析

从计算结果看出,中导洞开挖之后拱顶发生的最大位移在10mm以内,一般在8-9mm,周边收敛值在2mm以内,中墙筑完后,开挖左右导洞,三导洞完成后中导洞拱顶发生的最大位移在15-17mm以内,一般在15mm、16mm,周边收敛值在8mm以内,左右导洞的周边位移在9mm左右。核心土挖完后,中导洞拱顶位移继续增大,其值在20mm左右,周边收敛值在8mm以内,主洞的顶位移在12-14mm之间。

目前隧道施工情况是:中导洞贯通,中墙基本筑完,正在开挖左右侧导洞,从现有的监测资料看,模拟结果是符合实际的,当然有的断面计算结果和监测结果差距较大,这里面当然影响因素较多,最主要是放炮对其围岩的震动过大造成的。由于还没有施工的步骤,模拟结果对其将产生的位移和应力分布进行了预测。

5　有限元模拟结果与监测结果对比分析

5.1　断面及测点布置

II、III类围岩每30米布置一个断面,Ⅳ类围岩

・56・

第10卷・第3期戴雨:公路双连拱隧道围岩稳定性分析2010年6月

每40米布置一个断面,Ⅴ类围岩每60米布置一个断面。遇有特殊情况可作适当调整。总之,必测项目应作为新奥法施工的一个必须环节,要及时布置测点、及时测量、及时分析、及时反馈;选测项目应根据工程施工需要,纳入到“动态设计、动态管理”的范畴,灵活机动布置。

5.2　中导洞有限元模拟结果与监测结果对比分析

从图6、图7看,计算结果和监测结果有出入,实际上这个监测断面受爆破的影响位移增量比较大。由于放炮的影响,变形突然增加,在建模的时候没有考虑由于放炮产生的动载对围岩稳定性的影响,在几个断面装药的时候可能量过大,由此产生的动载过大,使得此断面位移突然增大。在施工中应尽量避免这种情况的发生,严格按照设计要求,短进尺,弱爆破,勤支护。

　　总之,目前隧道所有监测断面的围岩周边位移增量、拱顶下沉断面均未超过《规范》中规定的允许相对位移值,除了部分断面因放炮影响外,其他的断面计算结果和监测结果基本相符。

6　结论

1.数值模拟方法在研究隧道围岩稳定性方面具

有十分明显的优势,日益成为稳定性定量评价中不可或缺的重要方法,在数学模型和实验室物理模型方法不能够完成的情况下,数值模拟方法就充分体现了其优越性。2.对双连拱隧道的特点、难题进行了分析、归

纳,分析了各种开挖方式的利弊,对中隔墙的设计、施工进行了分析和比较,对双连拱隧道防排水施工原因和措施进行了系统的分析。

3.应进一步对双连拱隧道进行三维非线性弹塑

性、粘弹塑性等的数值模拟分析,以便更准确地预测施工过程的力学动态。

4.双连拱隧道施工空间相对较小、需拆除的临

时支撑多,周边收敛监测难度大,中隔墙两侧的回填使得传感器引线被埋,导致中隔墙受力性状的测试非常困难,应寻求更合理的测试手段。

5.采用室内模型试验、现场实测等手段与数值

模拟相结合并相互映证的方法对此类隧道进行进一步的研究。

5.3　侧导洞有限元模拟结果与监测结果对比分析

[参考文献]

[1]张悼元,王士天,王兰生.工程地质分析原理[M].北京:

从图8可以看出,该断面实测结果与计算结果比较吻合,右侧导洞的最终位移监测和计算都显示几乎在12-15mm之间。另外需要指出的是,图8中实测的横坐标是时间天,而计算的横坐标是阶段,意义大致一样,但阶段需要的时间比天数大一些。因为一般来说一个阶段不止花一天的时间,所以看出计算结果变化更快,收敛得更早。

地质出版社,1994.

[2]张悼元,等.工程地质探索与开拓[M].成都:成都科技

大学出版社,1996.

[3]柳若龙,赵国法,顾宏伟.西山隧道施工中的地质灾害及

其治理方法实践[J].地质灾害与环境保护,2000,11

(3):171-175.

[4]吴梦军,陈彰贵,许锡宾,赵明阶.公路隧道围岩稳定性

研究现状与展望[J].重庆交通学院学报,2003,22(2).

・57・