论文部分内容阅读
摘要：通过对特大断面隧道的数值模拟分析，研究围岩的稳定性，为隧道支护的合理设计提供依据。
关键词：特大断面隧道位移—计算步关系曲线位移云图应力集中
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
围岩稳定是隧道安全的基本条件，如何维持隧道围岩稳定是隧道工程中最基本的问题之一，对于隧道围岩的稳定的研究，目前主要有如下几种方法：力学分析法、数值模拟方法、工程地质判别分类法、人工智能法和反分析法。本文采用数值分析的方法对特大断面隧道稳定性进行研究。
增建贵昆线六盘水~沾益段乌蒙山2号隧道四线大跨车站隧道，该隧道出口DK287+812~DK288+350段为538m的四线大跨隧道，DK287+740~DK287+812段72m为双线隧道至四线隧道过渡段的三线隧道，隧道开挖面积超大，最大断面面积达354m2，开挖跨度28.42m，为目前世界铁路隧道之最。
2 数值模拟
1、计算模型的建立
本文采用有限差分程序FLAC3D进行数值模拟计算，围岩均采用八节点六面体实体单元，初支钢架和喷混凝土及临时支护按照等效原则采用壳单元模拟，锚杆使用FLAC3D特有的三维锚索（cable）单元模拟，二次衬砌采用六面体实体单元模拟。围岩参数则根据地勘资料推荐的岩石物理力学参数选取。
为保证计算结果的可靠性，同时考虑合理的计算工作量：有限元三维计算模型的横向边界取到隧道边界的距离约4倍洞径，模型下边界到隧道底部边界的距离大于3倍洞径。具体的计算范围为：左右各取100m；仰拱下取为80m；拱顶以上覆土厚取为120米计算，纵向取了135米，根据现场施工情况3米为一个进尺，因此模型沿隧道纵向单元长度取为3米一个。边界约束为前后左右边界施加相应方向的水平约束，下边界竖向约束，上边界为自由面。
图1三维计算模型
2、位移—计算步关系曲线
选取距离洞口12m处的断面作为考察面，取拱顶、边墙及仰拱共4个点进行跟踪考察，如图所示，运用FLAC程序的hist功能，可以对选取的这几个考察点做出随计算步的变化情况。其中1——拱顶中心点；2——隧道右侧拱腰；3——隧道左侧拱腰；4——隧道仰拱中心点。
各点的位移—计算步曲线云图如下：
从以上各点的位移—计算步曲线图中可以看出：
（1）拱顶点1的沉降一直呈增大的趋势，且沉降曲线在③部开挖时的变化率最大，从计算结果显示③、④部的开挖(即对应的计算步为step9-step15)过程引起的拱顶沉降占到总沉降量的51.72%；在后期，随着开挖台阶的形成，拱顶沉降值虽仍有所增大，但是增幅较小，表明后面的开挖步对拱顶沉降的影响不是很大，后续的开挖步引起的拱顶沉降只占了整体沉降值的24.6%；最后，拱顶沉降达到73.5mm，且随着二衬的施作渐趋于稳定。
（2）左边墙2点的水平位移表现为前期和后期较为平缓，主要在15-23步（step15④部开挖至考察断面，step23⑥部开挖至考察断面）之间变化较大，占了总位移值的62.41%，表明靠近边墙点2的两部的开挖对其水平位移影响很大，邻近岩土体的开挖致使了其径向应力的释放，因而也就产生了较大的位移变化。在后期随着二衬的施作，变形就显得不大，曲线渐渐平缓。
（3）3点与2点对称布置，其总体变化规律与2点相似，但是位移值较2点大，这主要是由于开挖先后顺序引起的，体现出左右位移值的不均衡性，后开挖侧的位移值大于先开挖侧，可以理解为后开挖侧的围岩由于先前的开挖受到了扰动，围岩在其本身开挖前就受到了影响所致。但从变化曲线也可以看出，3点的水平位移值变化也是在靠近3点处⑤部、⑦部开挖时最大，变化率也是最大的。
（4）从仰拱处4点的竖向位移曲线图可以看出，仰拱的施作对仰拱竖向位移的控制效果是很好的，随着开挖步的进行，仰拱位移在不断增大，但在step27施作仰拱，进行仰拱填充以后，位移值就很平缓了，曲线图近乎水平，很好的体现了仰拱的作用，可以提高隧道结构的稳定性。
3、位移云图
通过模拟计算，将隧道结构的竖向及水平位移云图绘制如下：
图2竖向位移云图 图3水平位移云图
从位移云图也可以看出，竖向位移的变化主要在拱顶及仰拱范围，而水平位移在两侧，且两侧也表现出不均衡性，在拱肩处左边大于右边（先开挖侧大），拱腰及下部则是右边大于左边（后开挖侧大）。
4、围岩应力场分析
由于岩体的自重和地质构造作用，在开挖隧道前岩体中就已经存在的地应力即初始应力场是处于相对稳定和平衡的。隧道开挖后，使得围岩在开挖面处解除了约束，破坏了岩体内原有的应力平衡，使得一定范围内的围岩产生位移，形成径向松弛，与此同时围岩在切向产生应力增高（集中）现象，形成应力重分布的二次应力状态。施作支护结构后，支护结构会对岩体的移动产生阻力，形成约束，并承受围岩给予的作用力，产生变形。支护结构变形后所能提供的阻力会有所增加，而围岩却在变形过程中释放了部分能量，进一步变形的趋势有所减弱，需要支护结构提供的阻力以及支护结构所承受的作用力都将降低，应力集中现象得到改善，位移与支护结构之间的相互作用最终达到平衡，形成三次应力状态。
图41部开挖后应力矢量图（未支护） 图51部支护后应力矢量图（支护）
由主应力矢量可以知道，初始状态下，围岩处于自重应力场中。①部开挖后，应力发生偏转，径向应力释放，切向应力增加。而施作支护后，应力集中现象得到了缓解，部分荷载转由支护结构承担，围岩应力减小。后续的开挖步变化规律也为类似，在此不一一列举。最终洞室开挖、支护、二衬施作完毕后，洞壁周边围岩应力方向又较刚开挖后的状态发生了一定偏转，表明支护结构发挥了很好的作用。
5、应力集中
图6应力集中系數图
洞室两侧的应力集中严重，应力集中系数在0.8~1.8之间，但由于深埋初始应力很大，即基数大，较小的应力集中系数就意味着有较大的应力扰动，顶部和底部的应力集中不明显，由于开挖卸载，应力集中系数小于1。
3 结论
通过对特大断面隧道，分部开挖进行数值模拟后，大致可总结出隧道围岩稳定性的一些规律，对隧道结构采取支护方式、选取支护时机有一定的指导意义，从而使特大断面隧道支护的设计更加优化合理。
参考文献：
[1]唐国荣，章慧健，仇文革，高扬. 基于乌蒙山2号隧道论多线大跨车站隧道的修建技术. 隧道/地下工程
关键词：特大断面隧道位移—计算步关系曲线位移云图应力集中
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
围岩稳定是隧道安全的基本条件，如何维持隧道围岩稳定是隧道工程中最基本的问题之一，对于隧道围岩的稳定的研究，目前主要有如下几种方法：力学分析法、数值模拟方法、工程地质判别分类法、人工智能法和反分析法。本文采用数值分析的方法对特大断面隧道稳定性进行研究。
增建贵昆线六盘水~沾益段乌蒙山2号隧道四线大跨车站隧道，该隧道出口DK287+812~DK288+350段为538m的四线大跨隧道，DK287+740~DK287+812段72m为双线隧道至四线隧道过渡段的三线隧道，隧道开挖面积超大，最大断面面积达354m2，开挖跨度28.42m，为目前世界铁路隧道之最。
2 数值模拟
1、计算模型的建立
本文采用有限差分程序FLAC3D进行数值模拟计算，围岩均采用八节点六面体实体单元，初支钢架和喷混凝土及临时支护按照等效原则采用壳单元模拟，锚杆使用FLAC3D特有的三维锚索（cable）单元模拟，二次衬砌采用六面体实体单元模拟。围岩参数则根据地勘资料推荐的岩石物理力学参数选取。
为保证计算结果的可靠性，同时考虑合理的计算工作量：有限元三维计算模型的横向边界取到隧道边界的距离约4倍洞径，模型下边界到隧道底部边界的距离大于3倍洞径。具体的计算范围为：左右各取100m；仰拱下取为80m；拱顶以上覆土厚取为120米计算，纵向取了135米，根据现场施工情况3米为一个进尺，因此模型沿隧道纵向单元长度取为3米一个。边界约束为前后左右边界施加相应方向的水平约束，下边界竖向约束，上边界为自由面。
图1三维计算模型
2、位移—计算步关系曲线
选取距离洞口12m处的断面作为考察面，取拱顶、边墙及仰拱共4个点进行跟踪考察，如图所示，运用FLAC程序的hist功能，可以对选取的这几个考察点做出随计算步的变化情况。其中1——拱顶中心点；2——隧道右侧拱腰；3——隧道左侧拱腰；4——隧道仰拱中心点。
各点的位移—计算步曲线云图如下：
从以上各点的位移—计算步曲线图中可以看出：
（1）拱顶点1的沉降一直呈增大的趋势，且沉降曲线在③部开挖时的变化率最大，从计算结果显示③、④部的开挖(即对应的计算步为step9-step15)过程引起的拱顶沉降占到总沉降量的51.72%；在后期，随着开挖台阶的形成，拱顶沉降值虽仍有所增大，但是增幅较小，表明后面的开挖步对拱顶沉降的影响不是很大，后续的开挖步引起的拱顶沉降只占了整体沉降值的24.6%；最后，拱顶沉降达到73.5mm，且随着二衬的施作渐趋于稳定。
（2）左边墙2点的水平位移表现为前期和后期较为平缓，主要在15-23步（step15④部开挖至考察断面，step23⑥部开挖至考察断面）之间变化较大，占了总位移值的62.41%，表明靠近边墙点2的两部的开挖对其水平位移影响很大，邻近岩土体的开挖致使了其径向应力的释放，因而也就产生了较大的位移变化。在后期随着二衬的施作，变形就显得不大，曲线渐渐平缓。
（3）3点与2点对称布置，其总体变化规律与2点相似，但是位移值较2点大，这主要是由于开挖先后顺序引起的，体现出左右位移值的不均衡性，后开挖侧的位移值大于先开挖侧，可以理解为后开挖侧的围岩由于先前的开挖受到了扰动，围岩在其本身开挖前就受到了影响所致。但从变化曲线也可以看出，3点的水平位移值变化也是在靠近3点处⑤部、⑦部开挖时最大，变化率也是最大的。
（4）从仰拱处4点的竖向位移曲线图可以看出，仰拱的施作对仰拱竖向位移的控制效果是很好的，随着开挖步的进行，仰拱位移在不断增大，但在step27施作仰拱，进行仰拱填充以后，位移值就很平缓了，曲线图近乎水平，很好的体现了仰拱的作用，可以提高隧道结构的稳定性。
3、位移云图
通过模拟计算，将隧道结构的竖向及水平位移云图绘制如下：
图2竖向位移云图 图3水平位移云图
从位移云图也可以看出，竖向位移的变化主要在拱顶及仰拱范围，而水平位移在两侧，且两侧也表现出不均衡性，在拱肩处左边大于右边（先开挖侧大），拱腰及下部则是右边大于左边（后开挖侧大）。
4、围岩应力场分析
由于岩体的自重和地质构造作用，在开挖隧道前岩体中就已经存在的地应力即初始应力场是处于相对稳定和平衡的。隧道开挖后，使得围岩在开挖面处解除了约束，破坏了岩体内原有的应力平衡，使得一定范围内的围岩产生位移，形成径向松弛，与此同时围岩在切向产生应力增高（集中）现象，形成应力重分布的二次应力状态。施作支护结构后，支护结构会对岩体的移动产生阻力，形成约束，并承受围岩给予的作用力，产生变形。支护结构变形后所能提供的阻力会有所增加，而围岩却在变形过程中释放了部分能量，进一步变形的趋势有所减弱，需要支护结构提供的阻力以及支护结构所承受的作用力都将降低，应力集中现象得到改善，位移与支护结构之间的相互作用最终达到平衡，形成三次应力状态。
图41部开挖后应力矢量图（未支护） 图51部支护后应力矢量图（支护）
由主应力矢量可以知道，初始状态下，围岩处于自重应力场中。①部开挖后，应力发生偏转，径向应力释放，切向应力增加。而施作支护后，应力集中现象得到了缓解，部分荷载转由支护结构承担，围岩应力减小。后续的开挖步变化规律也为类似，在此不一一列举。最终洞室开挖、支护、二衬施作完毕后，洞壁周边围岩应力方向又较刚开挖后的状态发生了一定偏转，表明支护结构发挥了很好的作用。
5、应力集中
图6应力集中系數图
洞室两侧的应力集中严重，应力集中系数在0.8~1.8之间，但由于深埋初始应力很大，即基数大，较小的应力集中系数就意味着有较大的应力扰动，顶部和底部的应力集中不明显，由于开挖卸载，应力集中系数小于1。
3 结论
通过对特大断面隧道，分部开挖进行数值模拟后，大致可总结出隧道围岩稳定性的一些规律，对隧道结构采取支护方式、选取支护时机有一定的指导意义，从而使特大断面隧道支护的设计更加优化合理。
参考文献：
[1]唐国荣，章慧健，仇文革，高扬. 基于乌蒙山2号隧道论多线大跨车站隧道的修建技术. 隧道/地下工程