溶洞位置對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的有限元分析

王偉勝 堯 紅 石永利

0 引言

隨著我國西部大開發(fā)的進(jìn)程加速以及交通運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，在西部山區(qū)修建鐵路公路隧道工程已經(jīng)越來越多，這就不可避免的會遇到許多不同程度的地質(zhì)問題，尤其是西南的喀斯特地貌的巖溶問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到隧道的施工和安全運(yùn)營[1]。巖溶通常是指可溶性巖石，特別是碳酸鹽類巖石，受含有二氧化碳的流動水溶蝕，攜出轉(zhuǎn)移有時(shí)并加以沉積等綜合地質(zhì)作用而形成的地質(zhì)現(xiàn)象的總稱。

為了準(zhǔn)確評價(jià)平行于隧道走向的溶洞分布對圍巖穩(wěn)定性的影響，筆者通過建立二維有限元模型對可能出現(xiàn)的具有不同位置溶洞的隧道開挖進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)對應(yīng)力分布及穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

1 工程概況

六珠嶺隧道地貌單元屬低山丘陵區(qū)，山頂海拔最高達(dá)208.5 m，山谷最低達(dá) 51.9 m，山坡自然坡度 20°～50°，局部較為陡峭，山坡植被發(fā)育、多為雜草。隧道除進(jìn)口段255.97 m位于半徑為3500 m的曲線上，其余位于直線段上，全隧均位于坡度0.53%的下坡段上。隧道全長1236 m，隧道進(jìn)、出口里程分別為:DK78+883，DK80+119，隧道分解里程分別為 DK78+873，DK80+129。隧道按旅客列車設(shè)計(jì)行車速度160 km/h，客貨共線單線隧道設(shè)計(jì)。

2 模型模擬方案及計(jì)算參數(shù)

本文計(jì)算采用廣義Mises準(zhǔn)則即Drucker-Prager準(zhǔn)則，利用ANSYS10.0軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

2.1 屈服準(zhǔn)則

Drucker-Prager準(zhǔn)則是以一個內(nèi)切與莫爾庫侖準(zhǔn)則的六棱錐面之圓錐面作為屈服面，彌補(bǔ)拐點(diǎn)給數(shù)學(xué)處理帶來的困難，能更好的反映巖土材料的屈服和破壞特性[2]: