岩体隧道不同施工断面的形状优化及其三维数值分析

王洋

【摘要】在公路隧道等地下工程中，隧道洞室的轴线一旦选定以后，事实上围岩的介质和初始地应力场等边界条件也就客观存在不能改变了，所以在设计中只能不断地调整洞室断面的几何形态、尺寸等，以改善围岩的应力分布及其稳定性状态。本文依托高达隧道工程，利用大型数值模拟软件ANSYS研究四种断面形状，即圆形断面、单心圆断面、三心圆断面和直墙圆拱形断面在同一隧道地质条件下的稳定性情况。

并且本文使用MIDAS软件对高达双线隧道进行三维开挖仿真模拟，从而得出更为符合工程实际的理论数据，为工程实际提供更为准确的理论参考

【关键词】隧道；不同断面；数值分析；稳定性

【Abstract】 In highway Tunnels and underground opening engineering， the tunnel axis once are made sure， the rock material medium and initial stress field and other boundary conditions can not be adjusted. Therefore， during the tunnel design processing we just could change the geometric shape， dimensions， etc， to improve the stress distribution and stability of state.

Based on the Gaoda tunnel investigation in site， Ansys code as numerical model tool are applied to optimizate the tunnel shape. And four tunnel shape are emphasesly modelling and analysised in this thesis， such as， Circular tunnel section、1-circle shaped section、3-circle shaped section and straight wall shaped section in the same geological conditions.

And using MIDAS software simulate two-lane tunnel of Gaoda excavation of three-dimensional. To obtain more consistent with the theory of the actual data for the project more accurately the actual provision of reference.

【Key words】Tunnel；Different sections；Numerical analysis；Stability

1. 引言

（1）公路隧道的一般设计过程与铁路隧道大体相同，但铁路隧道建筑限界固定统一，而公路隧道的建筑限界却不固定，且公路隧道为大跨度、扁平、几何形状呈多样化的特点，它取决于公路等级、技术标准、车道数、通风要求、工程地质、施工方法等条件，公路隧道的附属设施如通风、照明、消防、报警等也均比铁路隧道多、要求高，且每一座隧道均会因交通流量和长度不同而要求不同。因此，公路隧道难以像铁路隧道那样编制出标准设计图，而需根据其具体的要求进行单独设计，其中魏建军、蒋斌松发表的公路隧道内轮廓形状的数值优化中对此内容进行了研究。

（2）本文基于高达隧道所遇到的选择断面问题为背景，尝试借助于数值分析的方法，从理论上来探讨高达隧道断面形状的设计比选、优化，并使用MIDAS软件分析工程稳定性问题，国内韩贝传发表的数值分析技术的发展现状及在岩土工程中的应用，张云峰发表的隧道施工过程的数值模拟分析与方案的优化对这方面的问题进行了阐述。

2. 工程概况

（1）高达隧道位于辽宁省东部的宽甸县青山沟乡，走向南西237°左右。设计双线分离隧道，间隔40m左右，属短隧道。。

隧道区位为中低山区，属长白山脉东南部余脉。总体上北西侧高，向南东倾斜，海拔高度370.60～433.60m之间，相对高差63.00m，山势较缓，树枝状沟谷发育，冲沟窄坡陡，东侧洞口（右进左出口）中等坡地貌，坡角18～24°左右，西侧洞口（右出左进口），坡角11～17°左右。

（2）根据《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）中的公路隧道围岩分级方案的有关规定，综合考虑隧道底板标高以上三倍洞径范围内的围岩工程地质条件及岩土体物理力学性质诸多要素，对隧道围岩进行工程地质分级，洞口段为Ⅴ级围岩，洞身为Ⅲ、Ⅳ级围岩。

（3）由高达隧道工程地质概况可以得出隧道大部分地段处在Ⅲ级、Ⅳ级围岩下，地质条件较为差，所以隧道稳定性研究需要在弹塑性理论下进行。而稳定性研究主要考虑在较不利的条件下进行的开挖受力情况，所以本文不讨论隧道断面在Ⅲ级围岩下的稳定性问题，而主要分析讨论Ⅳ级围岩下不同断面的稳定性问题。

3. 不同断面隧道的开挖模拟数值分析

由于本隧道属于细长结构物，即隧道的横断面相对于纵向的长度来说很小，可以假定在围岩荷载作用下，在其纵向没有位移，只有横向发生位移，所以隧道的力学分析可以采用平面应变模型进行。

本文选取了四种典型的隧道断面进行计算分析，分别为圆形隧道、单心圆隧道、直墙圆拱形隧道和三心圆隧道，计算分析隧道围岩及衬砌内力和位移。通过隧道开挖过程中的仿真力学分析，以模拟结果比较分析得出最为适合本工程的隧道断面形式。endprint