巖體隧道不同施工斷面的形狀優(yōu)化及其三維數(shù)值分析

【摘 要】在公路隧道等地下工程中，隧道洞室的軸線一旦選定以后，事實上圍巖的介質(zhì)和初始地應(yīng)力場等邊界條件也就客觀存在不能改變了，所以在設(shè)計中只能不斷地調(diào)整洞室斷面的幾何形態(tài)、尺寸等，以改善圍巖的應(yīng)力分布及其穩(wěn)定性狀態(tài)。本文依托高達隧道工程，利用大型數(shù)值模擬軟件ANSYS研究四種斷面形狀，即圓形斷面、單心圓斷面、三心圓斷面和直墻圓拱形斷面在同一隧道地質(zhì)條件下的穩(wěn)定性情況。

并且本文使用MIDAS軟件對高達雙線隧道進行三維開挖仿真模擬，從而得出更為符合工程實際的理論數(shù)據(jù)，為工程實際提供更為準確的理論參考

【關(guān)鍵詞】隧道；不同斷面；數(shù)值分析；穩(wěn)定性

1. 引言

公路隧道的一般設(shè)計過程與鐵路隧道大體相同，但鐵路隧道建筑限界固定統(tǒng)一，而公路隧道的建筑限界卻不固定，且公路隧道為大跨度、扁平、幾何形狀呈多樣化的特點，它取決于公路等級、技術(shù)標準、車道數(shù)、通風(fēng)要求、工程地質(zhì)、施工方法等條件，公路隧道的附屬設(shè)施如通風(fēng)、照明、消防、報警等也均比鐵路隧道多、要求高，且每一座隧道均會因交通流量和長度不同而要求不同。因此，公路隧道難以像鐵路隧道那樣編制出標準設(shè)計圖，而需根據(jù)其具體的要求進行單獨設(shè)計，其中魏建軍、蔣斌松發(fā)表的公路隧道內(nèi)輪廓形狀的數(shù)值優(yōu)化中對此內(nèi)容進行了研究。

本文基于高達隧道所遇到的選擇斷面問題為背景，嘗試借助于數(shù)值分析的方法，從理論上來探討高達隧道斷面形狀的設(shè)計比選、優(yōu)化，并使用MIDAS軟件分析工程穩(wěn)定性問題，國內(nèi)韓貝傳發(fā)表的數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及在巖土工程中的應(yīng)用，張云峰發(fā)表的隧道施工過程的數(shù)值模擬分析與方案的優(yōu)化對這方面的問題進行了闡述。

2. 工程概況

高達隧道位于遼寧省東部的寬甸縣青山溝鄉(xiāng)，走向南西237°左右。設(shè)計雙線分離隧道，間隔40m左右，屬短隧道。

隧道區(qū)位為中低山區(qū)，屬長白山脈東南部余脈。總體上北西側(cè)高，向南東傾斜，海拔高度370.60～433.60m之間，相對高差63.00m，山勢較緩，樹枝狀溝谷發(fā)育，沖溝窄坡陡，東側(cè)洞口（右進左出口）中等坡地貌，坡角18～24°左右，西側(cè)洞口（右出左進口），坡角11～17°左右。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70-2004）中的公路隧道圍巖分級方案的有關(guān)規(guī)定，綜合考慮隧道底板標高以上三倍洞徑范圍內(nèi)的圍巖工程地質(zhì)條件及巖土體物理力學(xué)性質(zhì)諸多要素，對隧道圍巖進行工程地質(zhì)分級，洞口段為Ⅴ級圍巖，洞身為Ⅲ、Ⅳ級圍巖。

由高達隧道工程地質(zhì)概況可以得出隧道大部分地段處在Ⅲ級、Ⅳ級圍巖下，地質(zhì)條件較為差，所以隧道穩(wěn)定性研究需要在彈塑性理論下進行。而穩(wěn)定性研究主要考慮在較不利的條件下進行的開挖受力情況，所以本文不討論隧道斷面在Ⅲ級圍巖下的穩(wěn)定性問題，而主要分析討論Ⅳ級圍巖下不同斷面的穩(wěn)定性問題。

3. 不同斷面隧道的開挖模擬數(shù)值分析

由于本隧道屬于細長結(jié)構(gòu)物，即隧道的橫斷面相對于縱向的長度來說很小，可以假定在圍巖荷載作用下，在其縱向沒有位移，只有橫向發(fā)生位移，所以隧道的力學(xué)分析可以采用平面應(yīng)變模型進行。

本文選取了四種典型的隧道斷面進行計算分析，分別為圓形隧道、單心圓隧道、直墻圓拱形隧道和三心圓隧道，計算分析隧道圍巖及襯砌內(nèi)力和位移。通過隧道開挖過程中的仿真力學(xué)分析，以模擬結(jié)果比較分析得出最為適合本工程的隧道斷面形式。

ANSYS分析隧道及開挖、支護利用軟件中的生死單元法，平面單元采用PLANE42單元，錨桿采用Link1單元，支護用BEAM3梁單元進行模擬。計算中采用了Drucke-Prager屈服準則。

3.1 圓形斷面開挖模擬分析。

圓形隧道位移圖見圖1。

通過隧道位移矢量云圖可以看到隧道在X方向的拱腳處發(fā)生較大的位移0.314e-3m，Y方向拱頂處發(fā)生最大位移0.0155m。

3.2 單心圓斷面開挖模擬分析。

單心圓隧道位移圖見圖2。

通過隧道位移矢量云圖可以看到隧道在X方向的拱腳處發(fā)生較大的位移0.812e-4m，Y方向拱頂處發(fā)生最大位移0.00413m。

3.3 直墻圓拱形斷面開挖模擬分析。

直墻式隧道位移圖見圖3。

通過隧道位移矢量云圖可以看到隧道在X方向的邊墻處發(fā)生最大位移0.967e-4m，Y方向拱頂處發(fā)生最大位移0.004122m。

3.4 三心圓斷面開挖模擬分析。

三心圓隧道位移圖見圖4。

通過隧道位移矢量云圖可以看到隧道在X方向的邊墻處發(fā)生最大位移0.909e-4m，Y方向拱頂處發(fā)生最大位移0.0041m。

3.5 特征內(nèi)力。

各開挖斷面位移最大值及位置見表1。

由圖可以看出，圓形斷面的受力是最小的，而且內(nèi)力沿斷面分布也很均勻，斷面受力最為合理；而單心圓斷面、三心圓斷面的剪力、彎矩則在邊墻腳處發(fā)生較大的突變；直墻圓拱形斷面的剪力同樣在邊墻發(fā)生突變，而斷面的彎矩也在邊墻中處有一定的突變，對工程穩(wěn)定性有較大的影響。

本隧道模擬選用Druker-Prager屈服準則，對四種隧道斷面進行開挖模擬分析。分別比較了隧道的洞周位移、應(yīng)力及襯砌的彎矩、剪力和軸力等力學(xué)數(shù)據(jù)，從各項數(shù)據(jù)中可以得到結(jié)論，圓形斷面隧道的受力是最為合理，但是同時隧道的斷面面積過大，對于實際工程來說很不經(jīng)濟。而相比較之下直墻圓拱斷面的斷面面積最小，受力較為合理，并且開挖方法也最為簡便，故綜合比較各斷面的經(jīng)濟、力學(xué)等因素，最終選擇直墻圓拱形斷面為高達隧道的斷面形式

4. 高達隧道工程穩(wěn)定性分析

鑒于MIDAS/GTS軟件在隧道三維建模及施工。

模擬方面的優(yōu)越功能，本文將采用MIDAS/GTS對高達隧道進行開挖過程的模擬及工程穩(wěn)定性的分析。

在斷面優(yōu)化比選中，本文選擇了直墻圓拱斷面形式為高大隧道的主隧道斷面，下面將進行隧道的穩(wěn)定性分析：隧道周圍的圍巖位移從有限元分析結(jié)果來看隧道在開挖過程中總的拱頂下沉在19.2mm，兩側(cè)邊墻的水平位移27mm。隧道周圍的圍巖的移動趨勢水平方向上拱腳、邊墻處的位移較為明顯施工時需注意加強支護。

隧道周圍的圍巖應(yīng)力從各個方向地層的應(yīng)力圖以及主應(yīng)力圖可以看出隨著隧道的開挖修建整個地層大部分區(qū)域都是受壓的，水平方向上隧道邊墻應(yīng)力明顯集中，垂直方向上隧道拱頂應(yīng)力較集中。故需對隧道邊墻中加強支護。

5結(jié)論

5.1 本文以遼寧丹東地區(qū)高達隧道工程施工實際遇到的選擇斷面問題為工程背景，采用有限元分析等手段，模擬工程實際情況，通過ANSYS有限元分析軟件，對不同斷面的受力狀態(tài)進行分析和比較，通過比選得出高達隧道工程技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的開挖斷面為直墻圓拱形斷面。

5.2 為更好對高達隧道工程提供理論上的參考，本文最后采用MIDAS軟件對高達隧道工程進行三維仿真開挖模擬。對高達隧道提供更為準確的理論參考數(shù)據(jù)。

5.3 通過對高達隧道開挖模擬的三維仿真模擬可以得出，總體上說隧道結(jié)構(gòu)是安全的，但是隧道的邊墻、拱腳及隧道的底部需注意加強防護工作，盡量早的對隧道進行支護，以保證隧道的安全施和運營。

參考文獻

［1］韓貝傳，數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及在巖土工程中的應(yīng)用［J］，全國巖土工程計算機高效率利用展示與研討 19990512 中國建筑學(xué)會.

［2］張云峰，隧道施工過程的數(shù)值模擬分析與方案的優(yōu)化［D］，合肥，合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

［3］朱以文，韋慶如，等.微機有限元前后處理系統(tǒng)ViZi CAD及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)技術(shù)文獻出版社，1993.