漳龍高速公路擴(kuò)建隧道圍巖力學(xué)特性三維有限元分析

孫興山， 董會(huì)飛， 蘇興炬， 艾小威

(1. 武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 湖北 武漢　430072； 2. 龍巖市漳龍高速擴(kuò)建工程有限公司， 福建 龍巖　364000)

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漳龍高速公路擴(kuò)建隧道圍巖力學(xué)特性三維有限元分析

孫興山1， 董會(huì)飛1， 蘇興炬2， 艾小威1

(1. 武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 湖北 武漢430072； 2. 龍巖市漳龍高速擴(kuò)建工程有限公司， 福建 龍巖364000)

摘要:為分析隧道擴(kuò)建過程中圍巖的力學(xué)特性，確保施工期間圍巖的穩(wěn)定性，以漳龍高速公路后祠隧道擴(kuò)建工程為依托，建立了反映實(shí)際地形的三維有限元模型,對(duì)后祠擴(kuò)建隧道施工期間地表沉降、拱頂下沉、周邊位移的特征以及拱腳和拱頂?shù)膽?yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明： 原位擴(kuò)建隧道位移變化規(guī)律不同于普通新建隧道位移變化規(guī)律，隧道原位擴(kuò)建施工過程中，地表沉降曲線表現(xiàn)出了明顯的非對(duì)稱性； 隧道掌子面前方12 m及掌子面后方24 m范圍內(nèi)變形較為迅速，為非穩(wěn)定變形段； 根據(jù)隧道拱頂位移曲線，提出了針對(duì)擴(kuò)建隧道位移空間變化規(guī)律的公式，該公式能預(yù)測(cè)后祠隧道的變形，從而為施工提供建議和指導(dǎo)； 隧道拱腳表現(xiàn)為壓應(yīng)力集中區(qū)，隨著開挖的進(jìn)行，拱腳主應(yīng)力逐漸增大，而拱頂主應(yīng)力逐漸減小并向拉應(yīng)力過渡，最終拱頂呈現(xiàn)出較小的拉應(yīng)力。

關(guān)鍵詞:后祠隧道； 擴(kuò)建隧道； 大跨度； 力學(xué)特性； 三維有限元分析； 圍巖位移

3D Finite Element Analysis on Mechanical Characteristics of Surrounding

0引言

隨著公路交通運(yùn)輸量的大幅度增加，越來越多的高速公路隧道因交通量的飽和而被提上擴(kuò)建日程。隧道原位擴(kuò)建是在既有隧道的基礎(chǔ)上，拆除原有的隧道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)隧道斷面的擴(kuò)大[1]。隧道原位擴(kuò)建是新型結(jié)構(gòu)形式，擴(kuò)建施工過程中圍巖力學(xué)變化復(fù)雜，目前尚缺乏足夠的理論知識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)。

目前，已有的研究主要通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)和有限元方法來預(yù)測(cè)隧道的變形和應(yīng)力[2-3]。劉泉聲等[4]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)試驗(yàn)，研究了龍?zhí)端淼朗┕て陂g圍巖的位移和襯砌接觸壓力的變化規(guī)律，并由此判斷圍巖的穩(wěn)定性。林從謀等[5]針對(duì)大帽山原位擴(kuò)建隧道，基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析了CD工法下不同圍巖地表下沉、拱頂沉降規(guī)律，并對(duì)比分析了數(shù)值模擬結(jié)果，提出了錨桿支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化建議。工程設(shè)計(jì)時(shí)，廣泛采用經(jīng)驗(yàn)方法判斷隧道開挖引起的沉降，然而由于地質(zhì)條件和施工方法的不同，經(jīng)驗(yàn)方法的應(yīng)用具有一定的局限性。楊靈等[6]利用有限元方法對(duì)比分析了不同工法下圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形規(guī)律的差異，并對(duì)不同的工法進(jìn)行了比選分析。然而，以上研究對(duì)隧道擴(kuò)建具有一定的指導(dǎo)作用，但尚未對(duì)隧道擴(kuò)建過程中圍巖位移和應(yīng)力的變化規(guī)律作出全面的分析。

本文以福建漳龍高速后祠隧道工程為依托，建立三維有限元數(shù)值仿真模型，研究隧道原位擴(kuò)建過程中圍巖的力學(xué)響應(yīng)，分析圍巖的變形規(guī)律，以期為后祠隧道和類似工程建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

1工程概況

后祠隧道位于龍巖市適中鎮(zhèn)，原為兩洞雙向4車道隧道，隧道跨度12 m，全長(zhǎng)990 m。由于高速公路擴(kuò)建的需要，該隧道將擴(kuò)建成三洞9車道隧道。擴(kuò)建施工方案為： 在既有左洞的左側(cè)新建3車道隧道，同時(shí)將既有右洞擴(kuò)建為4車道隧道。擴(kuò)建后隧道跨度為20 m。隧道擴(kuò)建過程中，左側(cè)新建隧道先行施工，保持既有隧道通車狀態(tài)，新建隧道通車后再擴(kuò)建右側(cè)隧道。后祠隧道位置關(guān)系如圖1所示。

圖1　后祠隧道位置關(guān)系圖(單位： m)

地質(zhì)勘探資料表明，隧址區(qū)地表上覆第四系殘坡積層；下臥燕山早期侵入花崗巖及其風(fēng)化層，局部見閃長(zhǎng)玢巖、花崗斑巖巖脈侵入。隧道洞身總體圍巖以Ⅳ～Ⅴ級(jí)為主，隧道進(jìn)出口段及斷層構(gòu)造帶和節(jié)理密集帶內(nèi)圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

2三維計(jì)算模型

結(jié)合勘察結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形情況，建立三維有限元數(shù)值模型，如圖2所示。巖體采用實(shí)體單元模擬，襯砌采用殼單元模擬，錨桿采用桿單元模擬。模型左右邊界水平約束，下邊界豎向約束。數(shù)值計(jì)算采用摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告及設(shè)計(jì)資料，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2　三維有限元模型

數(shù)值模擬過程中，左側(cè)新建隧道根據(jù)實(shí)際開挖方案采用臺(tái)階法開挖，原位擴(kuò)建隧道根據(jù)設(shè)計(jì)方案采用中隔壁法開挖。隧道的開挖和支護(hù)分步進(jìn)行，通過移除單元模擬隧道的開挖，每一步開挖進(jìn)尺為6 m，隨后激活襯砌單元和錨桿單元，以模擬支護(hù)過程。

隧道的開挖和支護(hù)是應(yīng)力緩慢釋放的過程，如果不采取任何支護(hù)措施，則圍巖的卸荷力完全由圍巖承受；如果開挖后立即支護(hù)，則支護(hù)將承受全部的卸荷載力。在新奧法施工過程中，實(shí)際上是圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同受力的結(jié)果[7]。隧道開挖后，襯砌發(fā)揮作用的時(shí)間可以決定洞周節(jié)點(diǎn)的位移以及支護(hù)上的壓力。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和施作支護(hù)結(jié)構(gòu)的時(shí)機(jī)，將待開挖單元應(yīng)力釋放到70%。應(yīng)力釋放過程采用參數(shù)折減法來實(shí)現(xiàn)，即將待開挖巖體的參數(shù)折減70%后再開挖相應(yīng)部分。具體模擬過程如下。

1)建立模型的邊界條件，通過自重荷載作用下的應(yīng)力場(chǎng)，將得到的初始應(yīng)力場(chǎng)和自重應(yīng)力場(chǎng)一起施加于模型，獲得地應(yīng)力平衡狀態(tài)。

2)在第n分析步時(shí)，將既有隧道待開挖單元的參數(shù)折減至70%，以模擬應(yīng)力的釋放。

3)在第n+1分析步時(shí)，移除待開挖單元，激活相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)(襯砌和錨桿)，并獲得平衡。

4)重復(fù)步驟2)和步驟3)，完成既有隧道的施工過程(分析步2～33)。既有隧道開挖完成后，即獲得隧道擴(kuò)建時(shí)的初始應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)。在新建隧道開挖前，既有隧道已經(jīng)變形穩(wěn)定。為分析隧道擴(kuò)建過程中的變形，將已發(fā)生的變形作為初始位移場(chǎng)。

表1圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

Table 1Physical and mechanical parameters of surrounding rock and supporting structures

名稱重度γ/(kN/m3)變形模量E/GPa泊松比μ內(nèi)摩擦角φ/(°)黏聚力c/MPa剪脹角/(°)Ⅳ級(jí)圍巖233.30.32330.450Ⅴ級(jí)圍巖211.20.32280.120噴射混凝土25300.22402.20錨桿(長(zhǎng)3.5m,直徑35mm)2531.50.20

5)重復(fù)步驟2)和步驟3)，完成新建隧道(分析步34～65)和原位擴(kuò)建隧道(分析步66～97)的開挖，分析過程結(jié)束。

3位移計(jì)算結(jié)果分析

3.1擴(kuò)建隧道施工時(shí)地表位移

地表位移是隧道圍巖變形過程中反饋出的重要信息，了解地表位移的變化規(guī)律，可以對(duì)隧道的變形發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，及時(shí)掌握圍巖的穩(wěn)定性狀態(tài)[8]。原位擴(kuò)建施工階段橫斷面地表沉降曲線如圖3所示(負(fù)號(hào)表示向下的位移)。

圖3　地表沉降曲線

從圖3可以看出： 由于隧道布置不對(duì)稱以及之前既有隧道和左側(cè)新建隧道的施工，地表沉降曲線不服從典型的正態(tài)分布，而表現(xiàn)出了明顯的非對(duì)稱性； 當(dāng)開挖至6 m時(shí)，地表最大沉降為4 mm，當(dāng)開挖至48 m時(shí)，最大沉降量達(dá)到5 mm，當(dāng)開挖至96 m時(shí)，最大沉降量為6.2 mm，增量約為55%； 開挖過程中沉降槽的位置由新建隧道中線處向擴(kuò)建隧道移動(dòng)，最大沉降量發(fā)生在原位擴(kuò)建隧道稍左側(cè)。由于既有隧道和新建隧道的存在，模型左側(cè)的沉降大于模型右側(cè)，這是因?yàn)樽髠?cè)既有隧道已經(jīng)先行施工完畢，導(dǎo)致左側(cè)發(fā)生了一定的沉降； 但在原位擴(kuò)建隧道施工過程中，右側(cè)的位移增量要大于左側(cè)，施工完成后沉降槽寬度約為60 m，即洞徑的3倍。

Peck方法[9]認(rèn)為隧道開挖引起的橫向地表沉降符合高斯曲線分布。有限元模擬結(jié)果表明，對(duì)于非對(duì)稱分布的非水平地表隧道群結(jié)構(gòu)，如后祠隧道擴(kuò)建工程項(xiàng)目，由于既有隧道和左側(cè)新建隧道的影響，地表累計(jì)沉降量隨著擴(kuò)建的施工不斷增加，沉降槽寬度和反彎點(diǎn)均已發(fā)生明顯變化，地表不均勻沉降比較明顯，施工中應(yīng)給予足夠重視。

3.2擴(kuò)建隧道拱頂位移

隧道開挖后，圍巖向臨空面發(fā)生變形，拱頂變形過大可能會(huì)導(dǎo)致圍巖的整體失穩(wěn)，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。原位擴(kuò)建隧道開挖至42 m時(shí)拱頂位移變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出： 在掌子面后方24 m和掌子面前方12 m范圍內(nèi)，位移變化較為迅速，為非穩(wěn)定變形段，可以預(yù)測(cè)隨著掌子面的推進(jìn)，該段范圍內(nèi)的圍巖會(huì)繼續(xù)發(fā)生變形直到趨于穩(wěn)定值； 掌子面前方距離掌子面大于24 m時(shí)，變形基本趨于穩(wěn)定并達(dá)到最大值，最大變形量為16 mm；在掌子面前方距離掌子面大于12 m的圍巖未發(fā)生變形。

圖4　拱頂位移曲線

孫元春等[10]認(rèn)為，隧道圍巖變形一般可以分為3個(gè)階段： 急劇變形階段、穩(wěn)定變形階段和流變階段。在圖4所示的曲線中： 掌子面前后各6 m范圍內(nèi)拱頂位移急劇增長(zhǎng)，是急劇變形階段；掌子面前方6～18 m為穩(wěn)定變形階段；掌子面前方距離掌子面大于18 m時(shí)，圍巖變形趨于穩(wěn)定，是流變階段。

Hoek基于大量的位移監(jiān)測(cè)分析，提出圍巖變形與掌子面距離的關(guān)系

(1)

由式(1)計(jì)算得出，在掌子面處圍巖累計(jì)變形約占總變形的30%，而圖4顯示，掌子面處累計(jì)變形約占總變形的50%； 因此，對(duì)于擴(kuò)建隧道，式(1)已不能很好地適用。

本文在式(1)的基礎(chǔ)上，對(duì)式(1)進(jìn)行參數(shù)化，建立能夠反映原位擴(kuò)建隧道圍巖變形規(guī)律的函數(shù)模型

(2)

式中：a、b為待擬合參數(shù);y為測(cè)點(diǎn)位移與變形穩(wěn)定后位移比值。

利用Matlab進(jìn)行擬合,得到擬合曲線函數(shù)關(guān)系(式(3))和擬合曲線(見圖5)。

(3)

則原位擴(kuò)建隧道拱頂測(cè)點(diǎn)的位移可表示為

(4)

現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，可以根據(jù)圍巖變形穩(wěn)定后的位移，預(yù)測(cè)掌子面附近的變形。式(4)能夠較好地預(yù)測(cè)擴(kuò)建隧道拱頂位移的演化規(guī)律，能夠?yàn)樵粩U(kuò)建隧道施工提供參考。

圖5　位移擬合曲線

根據(jù)上述分析可以得出： 掌子面后方24 m和掌子面前方12 m范圍內(nèi)為非穩(wěn)定變形區(qū)，拱頂仍在發(fā)生沉降，而在該范圍外，拱頂圍巖已基本穩(wěn)定； 施工過程中應(yīng)將掌子面后方24 m范圍內(nèi)的區(qū)域作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，并及時(shí)施作襯砌結(jié)構(gòu)； 式(4)可作為擴(kuò)建隧道拱頂變形的預(yù)測(cè)公式。

3.3擴(kuò)建隧道周邊位移

為分析隧道位移的分布規(guī)律，選取距離洞口Z=48 m的斷面為量測(cè)斷面，研究掌子面掘進(jìn)至不同斷面時(shí)隧道量測(cè)斷面周邊位移的變化。圖6為原位擴(kuò)建隧道量測(cè)斷面的位移在極坐標(biāo)下的變化規(guī)律，其中方位角θ沿順時(shí)針方向，該方位角所對(duì)應(yīng)的隧道周邊位移為極徑ρ。

當(dāng)掌子面尚未開挖至量測(cè)斷面時(shí)，由于原隧道的影響，原位擴(kuò)建隧道中線左側(cè)位移明顯大于右側(cè)位移。當(dāng)掌子面從Z=24 m推進(jìn)至量測(cè)斷面Z=48 m時(shí)，除拱腳位置外，周邊位移迅速增加，最大位移點(diǎn)向中線移動(dòng)，非對(duì)稱的位移曲線有對(duì)稱分布的趨勢(shì)，此時(shí)累積變形量約達(dá)到總變形量的50%左右。當(dāng)掌子面從Z=48 m推進(jìn)至Z=72 m時(shí)，變形基本趨于穩(wěn)定，且在隨后的施工中位移不再明顯變化，開挖結(jié)束后，原位擴(kuò)建隧道的周邊位移曲線以中心線為界呈對(duì)稱分布。由原位擴(kuò)建隧道周邊位移演化規(guī)律可知，由于原位擴(kuò)建隧道的特殊結(jié)構(gòu)形式，施工過程中位移變化更加復(fù)雜，主要表現(xiàn)為隧道周邊位移發(fā)生非均勻變化，施工中應(yīng)予以重點(diǎn)考慮。

圖6　隧道周邊位移

4應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)于擴(kuò)建隧道而言，其開挖過程實(shí)質(zhì)上是在既有隧道地應(yīng)力平衡的基礎(chǔ)上對(duì)圍巖的二次擾動(dòng)過程，整個(gè)施工過程中圍巖應(yīng)力路徑復(fù)雜，研究施工過程中圍巖的應(yīng)力演化規(guī)律有利于預(yù)測(cè)施工期間圍巖的穩(wěn)定性[11]。選取距離洞口為24、48、78 m的斷面為量測(cè)斷面，研究該量測(cè)斷面上特定點(diǎn)圍巖的應(yīng)力演化規(guī)律。需要指出的是計(jì)算過程分為3個(gè)階段： Ⅰ階段(分析步1～33)獲取初始地應(yīng)力場(chǎng)并模擬既有隧道的施工； Ⅱ階段(分析步34～65)模擬左側(cè)新建隧道的施工過程； Ⅲ階段(分析步66～97)模擬右側(cè)原位擴(kuò)建隧道的施工過程。

圖7和圖8為隧道拱腳測(cè)點(diǎn)、拱頂測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。由圖7和圖8可以看出，原位擴(kuò)建隧道拱腳為壓應(yīng)力集中區(qū)，而拱頂則表現(xiàn)為拉應(yīng)力集中區(qū)。由于擴(kuò)建隧道是在既有隧道右洞的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)挖，既有隧道開挖至測(cè)點(diǎn)所在的量測(cè)斷面時(shí)，拱腳應(yīng)力迅速增大并且隨著開挖的進(jìn)行趨于穩(wěn)定，而拱頂應(yīng)力則迅速減小。新建隧道施工時(shí)，由于距離測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力沒有發(fā)生明顯變化，說明新建隧道和原位擴(kuò)建隧道之間相互作用影響較小。原位擴(kuò)建隧道自身施工時(shí)，隨著掌子面逐漸接近量測(cè)斷面，拱腳測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力迅速增加，最大應(yīng)力值為3.2 MPa，拱頂測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力迅速減小并逐漸向拉應(yīng)力過渡，最大拉應(yīng)力值為0.2 MPa，期間應(yīng)力上下波動(dòng)并最終趨于穩(wěn)定，說明擴(kuò)建施工過程表現(xiàn)出了反復(fù)的加卸荷過程，這是應(yīng)力重分布的結(jié)果。隧道開挖后，圍巖向臨空面發(fā)生變形，拱頂位置由于不能承受開挖后的應(yīng)力，應(yīng)力向圍巖深部和隧道兩側(cè)轉(zhuǎn)移，此時(shí)拱腳壓應(yīng)力迅速增加，而拱頂壓應(yīng)力迅速減小并向拉應(yīng)力過渡，最終達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

(a)最大主應(yīng)力

(a)最大主應(yīng)力

5結(jié)論與討論

對(duì)于大斷面擴(kuò)建隧道，建立了反映實(shí)際地形的三維有限元數(shù)值模型，對(duì)隧道原位擴(kuò)建施工過程中的力學(xué)特性進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1)由于隧道布置的非對(duì)稱性以及鄰近隧道的影響，地表沉降曲線不再服從典型的正態(tài)曲線分布，而呈現(xiàn)出非對(duì)稱性。

2)原位擴(kuò)建隧道圍巖變形可以分為3個(gè)階段： 急劇變形階段、穩(wěn)定變形階段和流變階段。掌子面后方24 m和掌子面前方12 m范圍內(nèi)為非穩(wěn)定區(qū)，應(yīng)作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象。

3)在Hoek公式的基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)擴(kuò)建隧道位移空間變化規(guī)律的公式，擴(kuò)建隧道掌子面處累計(jì)變形占總變形量的50%。

4)原位擴(kuò)建隧道周邊位移曲線在開挖初期呈現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱分布，開挖結(jié)束后位移曲線從非對(duì)稱分布變?yōu)閷?duì)稱分布，隧道拱頂和底板位移大于隧道量測(cè)位移。

5)施工過程中，拱腳應(yīng)力逐漸增大，最大壓應(yīng)力為3.2 MPa，而拱頂應(yīng)力逐漸減小，并向拉應(yīng)力過渡，最大拉應(yīng)力為0.2 MPa。

本文的研究結(jié)論是基于有限元的分析計(jì)算，旨在探索施工過程中位移和應(yīng)力的變化規(guī)律。在后續(xù)研究中，將根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性，以期為類似擴(kuò)建工程的設(shè)計(jì)和施工提供理論指導(dǎo)。

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國(guó)內(nèi)最大擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)土壓平衡盾構(gòu)將由中國(guó)中鐵裝備造

2016年中國(guó)中鐵工程裝備集團(tuán)新年第一單就簽下國(guó)內(nèi)最大直徑的擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的土壓平衡盾構(gòu)合同。

2016年1月8日下午，中鐵裝備和中鐵六局在北京簽約，采購(gòu)一臺(tái)大直徑土壓平衡盾構(gòu)，用于太原鐵路樞紐西南環(huán)項(xiàng)目。這臺(tái)盾構(gòu)直徑12.14 m，研制下線后，將成為現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)最大直徑擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的土壓平衡盾構(gòu)。此前，國(guó)內(nèi)大直徑土壓平衡盾構(gòu)核心技術(shù)一直掌握在外方手中，一直都是國(guó)內(nèi)廠家與國(guó)外廠家聯(lián)合制造，此設(shè)備的制造填補(bǔ)了我國(guó)在大直徑土壓平衡盾構(gòu)領(lǐng)域研發(fā)的空白，我國(guó)在大直徑土壓平衡盾構(gòu)領(lǐng)域?qū)⑻幱趪?guó)際領(lǐng)先行列。

該臺(tái)盾構(gòu)應(yīng)用的隧道位于太原市城郊結(jié)合區(qū)域，上方建筑物較多，下穿眾多風(fēng)險(xiǎn)源，在綜合測(cè)算暗挖法和盾構(gòu)法的綜合效益之后，決定選用盾構(gòu)法施工。由于該隧道客貨列車兩用且雙線單洞，所以要求隧道凈空較大，國(guó)內(nèi)最大直徑的土壓平衡盾構(gòu)也就“應(yīng)運(yùn)而生”。

(摘自 中國(guó)中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司 http://www.crectbm.com/tabid/1918/InfoID/70764/frtid/1929/Default.aspx2016-01-12)

Rocks of Expansion Project: A Case Study on Houci Tunnel on

Zhangzhou-Longyan Highway

SUN Xingshan1, DONG Huifei1, SU Xingju2, AI Xiaowei1

(1.SchoolofCivilEngineering&Architecture,WuhanUniversity,Wuhan430072,Hubei,China;

2.LongyanExpansionProjectofZhangzhou-LongyanHighwayTunnelCo.,Ltd.,Longyan364000,Fujian,China)

Abstract:To ensure the stability of surrounding rock, the 3D finite element model of Houci tunnel expansion project on Zhangzhou-Longyan highway is established and ground surface settlement, vault subsidence, surrounding rock displacement and variation of stress on tunnel arch feet and crown are analyzed. The calculation results show that: 1) The tunnel displacement law of expansion is different from that of new tunnel construction, and the tunnel displacement curves of expansion shows obvious asymmetry. 2) The deformation speed of the unstable section, 12 m in front of and 24 m behind tunnel working face, is large. 3) The displacement formulas for expansion tunnel, which can predict the deformation of Houci tunnel, is proposed. 4) The tunnel arch feet show a stress concentration trend. The principle stress of tunnel arch feet increases and that of tunnel invert decreases as the excavation goes on. The stress of tunnel vault develops into small tensile stress in the end.

Keywords:Houci tunnel; tunnel expansion; large span; mechanical characteristics; three-dimensional finite element; displacement of surrounding rock

中圖分類號(hào)：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1672-741X(2016)01-0052-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.008

作者簡(jiǎn)介：第一 孫興山(1991—)，男，湖北十堰人，武漢大學(xué)巖土工程專業(yè)在讀碩士，研究方向?yàn)閹r土力學(xué)與地下工程穩(wěn)定性。E-mail: sunxs@foxmail.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2014CB046904); 國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金項(xiàng)目(4113072)； 國(guó)家自然科學(xué)基金資助(11302242)

收稿日期：2015-08-04； 修回日期： 2015-09-06