岩体隧道不同施工断面的形状优化及其三维数值分析

【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

1. 引言

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。

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

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。

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。

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。

ANSYS分析隧道及开挖、支护利用软件中的生死单元法，平面单元采用PLANE42单元，锚杆采用Link1单元，支护用BEAM3梁单元进行模拟。计算中采用了Drucke-Prager屈服准则。

3.1 圆形断面开挖模拟分析。

圆形隧道位移图见图1。

通过隧道位移矢量云图可以看到隧道在X方向的拱脚处发生较大的位移0.314e-3m，Y方向拱顶处发生最大位移0.0155m。

3.2 单心圆断面开挖模拟分析。

单心圆隧道位移图见图2。

通过隧道位移矢量云图可以看到隧道在X方向的拱脚处发生较大的位移0.812e-4m，Y方向拱顶处发生最大位移0.00413m。

3.3 直墙圆拱形断面开挖模拟分析。

直墙式隧道位移图见图3。

通过隧道位移矢量云图可以看到隧道在X方向的边墙处发生最大位移0.967e-4m，Y方向拱顶处发生最大位移0.004122m。

3.4 三心圆断面开挖模拟分析。

三心圆隧道位移图见图4。

通过隧道位移矢量云图可以看到隧道在X方向的边墙处发生最大位移0.909e-4m，Y方向拱顶处发生最大位移0.0041m。

3.5 特征内力。

各开挖断面位移最大值及位置见表1。

由图可以看出，圆形断面的受力是最小的，而且内力沿断面分布也很均匀，断面受力最为合理；而单心圆断面、三心圆断面的剪力、弯矩则在边墙脚处发生较大的突变；直墙圆拱形断面的剪力同样在边墙发生突变，而断面的弯矩也在边墙中处有一定的突变，对工程稳定性有较大的影响。

本隧道模拟选用Druker-Prager屈服准则，对四种隧道断面进行开挖模拟分析。分别比较了隧道的洞周位移、应力及衬砌的弯矩、剪力和轴力等力学数据，从各项数据中可以得到结论，圆形断面隧道的受力是最为合理，但是同时隧道的断面面积过大，对于实际工程来说很不经济。而相比较之下直墙圆拱断面的断面面积最小，受力较为合理，并且开挖方法也最为简便，故综合比较各断面的经济、力学等因素，最终选择直墙圆拱形断面为高达隧道的断面形式

4. 高达隧道工程稳定性分析

鉴于MIDAS/GTS软件在隧道三维建模及施工。

模拟方面的优越功能，本文将采用MIDAS/GTS对高达隧道进行开挖过程的模拟及工程稳定性的分析。

在断面优化比选中，本文选择了直墙圆拱断面形式为高大隧道的主隧道断面，下面将进行隧道的稳定性分析：隧道周围的围岩位移从有限元分析结果来看隧道在开挖过程中总的拱顶下沉在19.2mm，两侧边墙的水平位移27mm。隧道周围的围岩的移动趋势水平方向上拱脚、边墙处的位移较为明显施工时需注意加强支护。

隧道周围的围岩应力从各个方向地层的应力图以及主应力图可以看出随着隧道的开挖修建整个地层大部分区域都是受压的，水平方向上隧道边墙应力明显集中，垂直方向上隧道拱顶应力较集中。故需对隧道边墙中加强支护。

5结论

5.1 本文以辽宁丹东地区高达隧道工程施工实际遇到的选择断面问题为工程背景，采用有限元分析等手段，模拟工程实际情况，通过ANSYS有限元分析软件，对不同断面的受力状态进行分析和比较，通过比选得出高达隧道工程技术可行、经济合理的开挖断面为直墙圆拱形断面。

5.2 为更好对高达隧道工程提供理论上的参考，本文最后采用MIDAS软件对高达隧道工程进行三维仿真开挖模拟。对高达隧道提供更为准确的理论参考数据。

5.3 通过对高达隧道开挖模拟的三维仿真模拟可以得出，总体上说隧道结构是安全的，但是隧道的边墙、拱脚及隧道的底部需注意加强防护工作，尽量早的对隧道进行支护，以保证隧道的安全施和运营。

参考文献

［1］韩贝传，数值分析技术的发展现状及在岩土工程中的应用［J］，全国岩土工程计算机高效率利用展示与研讨 19990512 中国建筑学会.

［2］张云峰，隧道施工过程的数值模拟分析与方案的优化［D］，合肥，合肥工业大学，2007.

［3］朱以文，韦庆如，等.微机有限元前后处理系统ViZi CAD及其应用［M］.北京：科学技术文献出版社，1993.

推荐访问:断面 数值 隧道 形状 优化

---