基于数值模拟的连拱隧道位移和支护所受轴力分析

杨 定

(广西桂通工程管理集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

连拱隧道在国内外研究广泛,对此学者们进行了大量的研究。张妞等[1]对湖北某连拱隧道进行了数值模拟研究,结果表明:中隔墙越厚,隧道整体的偏转幅度越小。茶增云等[2]通过数值模拟对连拱隧道动态施工过程进行了还原,研究结果表明:开挖面合理间距应当控制在32 m以内。李波等[3]通过数值模拟对不同爆破施工方案进行了研究,结果表明:上台阶爆破效果明显高于下台阶爆破。李智等[4]对风化千枚岩隧道进行了研究,结果表明:千枚岩区域应当严格控制隧道的开挖,严禁超挖。张国浩等[5]通过数值模拟对新意法隧道施工进行了研究,结果表明:新意法开挖隧道沉降控制得更优。李波等[6]对无中墙连拱隧道的施工进行了研究,结果表明:CD法施工较台阶预留核心土法,更利于结构安全。李海云[7]利用数值模拟技术对连拱隧道开挖进行了研究,结果表明:连拱隧道最大位移位于中隔墙顶部。胡长明等[8]利用数值模拟对连拱隧道的稳定性进行了研究,结果表明:开挖进尺对围岩稳定性影响较大。林立华[9]通过数值模拟对双拱隧道的位移进行了研究,结果表明:双拱隧道的位移明显较单拱隧道大。左双英等[10]对双拱隧道的喷锚支护进行了研究,结果表明:重力式中隔墙在隧道支护中效果最佳。

然而以上的研究没有从连拱隧道位移和支护措施所受轴力角度进行分析,对此本文结合某实际连拱隧道开挖工程,利用数值模拟技术对隧道进行全过程模拟。

1 工程概况

该连拱隧道位于广西柳州市,长×宽×高为90 m×22 m×54 m,单洞隧道直径为9.0 m,隧道间距为14 m。隧道区域岩土体主要由风化土、风化岩和软岩组成,物理力学参数如表1所示。

表1 岩土体物理力学参数表

2 数值模拟

2.1 模型参数

图1所示为双洞连拱隧道数值模拟云图。风化土、风化岩和软岩均选择三维实体单元,材料均符合mohr模型;隧道混凝土选择C50混凝土,材料满足弹性变形规律,弹性模量为36.1×107kN·m-3,泊松比为0.20,容重为28.3 kN·m-3;盾构钢选择弹性模型,弹性模量为6.25×1011kN·m-3,泊松比为0.21,容重为57.9 kN·m-3;锚杆选择弹性模型,弹性模量为5.36×1011kN·m-3,泊松比为0.23,容重为52.3 kN·m-3。

图1 双洞连拱隧道数值模拟云图

2.2 隧道及周围岩土体的位移

数值模拟计算完成后,隧道的位移如下页图2所示。

(a)竖向位移

如图2(a)所示,随着深度的不断增加,隧道的竖向位移整体呈现逐渐增大的趋势,最大竖向位移为29 mm,位于隧道正下方,方向竖直向下;隧道正上方岩土体出现隆起,最大隆起量为19 mm;隧道正上方地面处出现隆起变形,最大隆起量为13 mm;隧道开挖后周围岩土体竖向位移均≤30 mm,地面处最大竖向隆起量为13 mm,最大沉降为11 mm,地面竖向位移均≤20 mm,满足规范要求,可认为隧道开挖的竖向位移控制在合理的范围内。

如图2(b)所示,随着深度的不断增加,除了隧道正上方岩土体以外,隧道的整体位移呈现逐渐增大的趋势,最大总体位移为32 mm,位于隧道正下方12 m处;隧道正上方岩土体出现隆起,最大隆起量为21 mm;隧道正上方地面处出现隆起变形,最大整体隆起量为14 mm;隧道开挖后周围岩土体整体位移均≤30 mm,地面处最大整体隆起量为14 mm,最大总体位移为12 mm,地面整体位移均≤20 mm,满足规范要求,可认为隧道开挖的整体位移控制在合理的范围内。

由图2可知,数值模拟建立以后,隧道的竖向位移和整体位移均随着深度的不断增加,位移数值不断增大,离隧道越近影响越大,数值模拟的结果与实际工程相符合;竖向位移和整体位移地面处最大位移均≤20 mm,说明数值模拟的结果控制在合理的范围内,进一步说明隧道开挖在位移方面是满足工程要求的。

2.3 隧道受力分析

隧道衬砌和锚杆的受力情况如图3所示。

(a)衬砌所受的轴力

如图3(a)所示,上层衬砌的受力大于下层,因为上层衬砌承受隧道周围岩土体的应力明显大于下层衬砌;随着掘进深度的增加,深层衬砌的受力大于隧道口衬砌。数值模拟的结果与实际的施工情况相符。

如图3(b)所示,上层锚杆的受力明显大于下层锚杆,最大锚杆的受力为12.7 kN。因上层锚杆受到隧道周围岩土体的应力较下层锚杆大,锚杆的受力与实际工况相符。左侧锚杆右侧部分的受力较右侧锚杆左侧部分大,因首先开挖的是左侧隧道,然后施加左侧锚杆,因此左侧锚杆的受力会大于右侧锚杆。

由图3可知,衬砌的最大受力为78.6 kN,锚杆的最大受力为12.7 kN,以上数值明显小于材料允许的极限值,因此可认为隧道的开挖在所受轴力方面是满足工程要求的。同时,衬砌和锚杆的上层受力均大于下层的受力,若从节约工程造价的角度上考虑,可以适当增加上层衬砌和锚杆的刚度,减小下层衬砌和锚杆下层的材料刚度,在满足工程要求的同时,也可以达到节约工程造价的目的。

3 结语

本文结合某连拱隧道开挖工程,利用数值模拟软件,对支护措施的位移和受力进行了分析,总结如下:

(1)隧道开挖完成后,竖向位移和整体位移均≤20 mm,从位移角度上分析可知,隧道开挖是满足工程要求的,隧道正上方会出现隆起现象,此现象与工程实际相符。

(2)隧道衬砌和锚杆所受轴力数值均不超过材料的极限受力,说明衬砌和锚杆的受力是满足工程要求的。同时,上层衬砌和锚杆的受力明显大于下层,说明支护防护的重点在于隧道上层,下层支护措施可适当减小刚度,以达到节省工程造价的目的。

(3)本文对连拱隧道开挖支护下支护措施的受力和位移进行了分析,但没有分析支护措施的剪切受力和塑性区,此方面有待进一步研究。