隧道真三維數(shù)值模擬

李衍翰 LI Yan-han；廖云平 LIAO Yun-ping

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074）

0 引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)的迅速發(fā)展，隧道建設(shè)也進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。除了城市地鐵隧道與海底隧道，絕大多數(shù)隧道都是在山體中開(kāi)挖，山體往往有各種各樣的地貌特征，這些地貌特征往往決定山體的初始地應(yīng)力場(chǎng)。越來(lái)越多的學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法來(lái)研究隧道開(kāi)挖過(guò)程中的受力與變形，若未考慮山體地貌特征，那么山體的初始地應(yīng)力場(chǎng)也就不準(zhǔn)確，得到的分析結(jié)果也一定和工程實(shí)際有別。本文主要介紹利用山體的等高線圖，建立三維地質(zhì)模型，并進(jìn)行開(kāi)挖分析，得出更符合工程實(shí)際的結(jié)論。

1 地貌特征

該等山地高線圖尺寸橫526m；縱500m，最高峰海拔575.9m，最低海拔409.7m，該山地地貌陡峭，地勢(shì)走向左低右高，山高谷深，地形起伏多變，模型必須考慮地形起伏的影響。

圖1 某山地等高線圖

2 工程概況

隧道采用三車(chē)道大斷面設(shè)計(jì)，隧道斷面形式采用三心圓，三心圓參數(shù)r1=14m，r2=6.5m。隧道軸線總長(zhǎng)500m，隧道平均埋深250m，走向自南向北，隧道開(kāi)挖形式采用全斷面開(kāi)挖，山體巖性為砂巖，參數(shù)見(jiàn)表1。

3 隧道三維地應(yīng)力場(chǎng)模擬

3.1 地質(zhì)有限元模型 根據(jù)1：1的野外調(diào)查數(shù)據(jù)建立地質(zhì)模型，將山地地貌等高線圖導(dǎo)入Midas GTS地形生成器，生成山體地形。模型尺寸xy=526m×500m，200m＜z＜575.9m，模型邊界X，Y方向位移面約束，Z方向底面位移面約束。本構(gòu)模型選擇Drucker-Prager模型。為分析隧道的開(kāi)挖效應(yīng)，計(jì)算過(guò)程中不考慮支護(hù)的影響。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬計(jì)算結(jié)果

3.2.1 初始地應(yīng)力 圖2為隧道開(kāi)挖前山體豎向應(yīng)力等值線云圖，即山體初始地應(yīng)力云圖。

圖2 初始地應(yīng)力等值線圖/kPa

地應(yīng)力明顯受地形地貌分布影響，在山谷低凹地帶應(yīng)力值變高，一般在0.66Mpa以上，個(gè)別地區(qū)可達(dá)1.17Mpa（壓應(yīng)力）。在地勢(shì)較高的地方應(yīng)力值變低，在山頂?shù)貐^(qū)應(yīng)力值最低。深層地應(yīng)力恰恰相反，在地勢(shì)較高覆蓋層下方的地區(qū)，地應(yīng)力變高，最大達(dá)到了8.39Mpa，位于山體的東南角下方。

3.2.2 隧道開(kāi)挖后應(yīng)力場(chǎng) 隧道開(kāi)挖后，對(duì)隧道圍巖產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的擾動(dòng)，造成應(yīng)力重分布：隧道開(kāi)挖導(dǎo)致巖體內(nèi)部應(yīng)力釋放，拱頂巖體下沉，發(fā)生洞頂坍塌現(xiàn)象；拱底部巖體發(fā)生卸荷回彈，發(fā)生拱底底膨現(xiàn)象。

圖3為隧道貫通后，隧道進(jìn)洞口橫截面von mises應(yīng)力等值線圖，a為整體視圖，b為隧道圍巖視圖。

圖3 von mises應(yīng)力等值線圖/kPa

從圖3分析，隧道貫通后，最容易被破壞的還是隧道圍巖范圍，其中拱腰周?chē)钊菀装l(fā)展成為塑性區(qū)；左拱腰處的von mises應(yīng)力極大值為10.9Mpa，右拱腰處為12.7 Mpa，相差1.8Mpa，地勢(shì)較高的巖層覆蓋區(qū)之下的右拱腰受地形的影響，比地勢(shì)較低的巖層覆蓋區(qū)之下的左拱腰更容易發(fā)生塑性破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

從模擬結(jié)果可以看出，地形對(duì)隧道數(shù)值模擬產(chǎn)生了很大的影響，我們今后在隧道三維數(shù)值仿真中，必須加入地形因素考慮，以達(dá)到更理想的數(shù)值模擬效果。

三維數(shù)值模擬還有更多的因素需要考慮：山體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與材料的各向異性以及溶洞、采空區(qū)等等不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)。更加真實(shí)反映工程實(shí)際的地質(zhì)模型將是以后的發(fā)展的方向。

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