隧道施工過程中的三維數值分析模型構建

李 鋒

(長沙市公路橋梁建設有限責任公司,湖南 長沙 410011)

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隧道施工過程中的三維數值分析模型構建

李 鋒

(長沙市公路橋梁建設有限責任公司,湖南 長沙 410011)

根據長湘高速李家沖隧道施工的具體情況，以隧道監測數據為依托，建立了FLAC-3D三維數值分析模型，通過數值模擬，分析了隧道拱頂和周邊應力與應變分布的規律，為隧道的安全施工提供了依據。

隧道，開挖法，數值模擬，斷面

1 工程概況

長湘高速李家沖隧道位于湖南省長沙市岳麓區蓮花鎮，設計為雙向六車道隧道，時速為120 km/h。該隧道設計開挖輪廓18 m，高度為12 m，全長為180 m，開挖斷面大，斷面形狀呈扁平狀。隧道輪廓線為大半徑圓曲線，其縱斷面為上坡段設計，為淺埋隧道。

李家沖隧道采用三臺階七步開挖方法，上部弧形導坑開挖并施作拱部初期支護，然后下臺階左右錯位開挖，施作墻部初期支護，中心預留核心土開挖、隧底開挖，施作隧底初期支護。

本文選取隧道某段為數值模擬對象，進行FLAC-3D三維數值分析模型構建研究，橫向長度為100 m，延線路縱向長度為10 m，拱頂距地表高度25 m。該研究成果的獲得將對后期的應力與應變分析以及隧道施工具有一定指導意義。

2 FLAC-3D動力計算原理

在輸入載荷條件進行模擬序列過程中，必須進行動力分析，但是靜力平衡計算必須先于動力分析，因為在實際工程中，加載動力前工程實際已經達到靜力平衡狀態，在為動力分析構建模型中，應該考慮三個方面的因素，即邊界條件、阻尼形式以及荷載要求。

3 模型的建立

因左線隧道并未開挖，故本文只計算右線隧道施工。按照隧道三臺階七步開挖法將掌子面設為7個組，一般來說，如果根據工程實際來建立計算模型是很復雜的，所以將巖體和圍巖視為連續體，且各向為同性材料；不考慮構造應力作用，只考慮自重應力作用，具體步驟如下：

1)根據材料參數，建立本構模型；

2)根據模擬對象，計算施加載荷，并確定邊界條件；

3)計算自重應力場；

4)根據上面三步所得參數，進行開挖模擬；

5)對模擬所得圖形，進行結果分析。

4 模型構建

雖然FLAC-3D在求解巖土工程問題方面具有許多優越性，但是它的前期處理是弱項，也就是建模與網格劃分這個階段。所以本文在建立模型時，根據三臺階七步開挖法，首先通過Auto-CAD軟件畫出隧道的施工工序，如圖1所示，其中：1為上臺階開挖；2為中臺階左開挖；3為中臺階右開挖；4為上部核心土開挖；5為臺階左馬口開挖；6為下臺階右馬口開挖；7為下部核心土開挖。

運用boundary命令，對象類型選擇面域，并選擇拾取點，點擊8個區域，使之變成8個面域。首先從Auto-CAD軟件中導出得到SAT文件，保存為tunnel.SAT，然后打開ANSYS有限元分析軟件，將tunnel.SAT文件導入到ANSYS有限元分析軟件中，在ANSYS有限元分析軟件中拉伸面域即可得到隧道模型，劃分網格時必須將局部坐標系設為與FLAC-3D坐標系一致。從ANSYS有限元分析軟件中導出模型點坐標，并通過轉換程序轉化為FLAC-3D模型點坐標，最終的模型圖如圖2所示。

5 結語

在李家沖隧道施工過程中，由于采用的是三臺階七步開挖法，每個臺階在開挖時都采用鉆爆法施工，爆炸產生的爆破波對隧道圍巖、襯砌穩定性有一定影響。通過FLAC-3D三維數值分析模型構建研究，對后期應力與應變分析以及隧道安全施工具有一定指導意義。

[1] 李光揚,胡旭輝.隧道松動圈影響因素的權值分析[J].公路,2013(2):202-206.

[2] 李慎剛,趙 文.隧道開挖中注漿效果的FLAC-3D研究[J].東北大學學報(自然科學版),2010,31(3):440-443.

3-D numerical model construction in tunnel construction process

Li Feng

(ChangshaHighway&BridgeConstructionCo.,Ltd,Changsha410011,China)

According to specific Lijiachong tunnel engineering conditions of Chang-Xiang highway, taking tunnel monitoring data as the basis, through FLAC-3D numerical model, the paper analyzes the tunnel arch top and surrounding stress and strain distribution, which has provide some guidance for safe tunnel construction.

tunnel, excavation method, numerical simulation, section

1009-6825(2016)18-0185-02

2016-04-18

李 鋒(1978- )，男，工程師

U455

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