基于随机有限元的高地应力区隧道稳定性分析.pdf

基于随机有限元的高地应力区隧道稳定性分析 马 长 波 (黄淮学院 建筑工程系，河南 驻马店463000) 摘要 ：为 了分析隧道工程 中存在 的不确定性 ，提 出采用随机有限元法研 究隧道开挖后的应力 、位移特征 。以某 深埋隧道为研究对象，分别采用确定性有限元和随机有限元法，对隧道开挖后的应力和位移特征进行 了对 比 分析 。结果表 明，采用随机有限元法后 ，隧道周边第 1主应力和隧道周边 围岩位移不再是确定值 ，而是随机变 量，具有统计特性。由于工程中荷载及参数的不确定性，随机有限元相 比确定性有限元更加符合实际，为类似 工程 问题 的研 究提供 了思路 。 关 键 词 ：高地应力；隧道稳定性 ；随机有限元 ；主应力；隧道位移 中图法分类号 ：U45 文献标志码 ：A 隧道稳定性是工程界普遍关心的问题之一 ，而在 大埋深 1000m，围岩为Ⅲ类 ，隧道围岩主要为砂质页 高地应力条件下 ，隧道围岩的变形破坏特性极其复杂 ， 岩、页岩 ，局部夹粉砂岩。隧道所处位置最大水平主应 为了保证隧道施工的正 常进行 以及后期的运 营，对隧 力为32MPa，最大垂直主应力为 25MPa，根据文献 道围岩稳定性进行科学评价显得尤为必要。目前多用 [9]的应力分级 ，可知为高地应力。围岩主要力学参 确定性有限元方法对隧道稳定性进行分析 ，如张孟喜 、 数见表 1。 李煜龄 、黄生文 、李金锁等 ，但是随机有 限元法在 表 1 围岩主要 力学参数 隧道稳定性中的研究较少 ，国外在工程 中的研究有如 弹性模量／抗压强度／抗拉强度／泊松 粘聚力／ 比 GPa MPa MPa MPa 内 一 Baecher和 Ishiik等 ，国 内有 如 徐 军 、李 胡 生 27 3 50．0l 6 l 0．36 I．9 等 ，因此随机有限元法在工程 中的应用研究具有 重要意义。隧道分析的随机有 限元法是在传统有限元 分析的基础上 ，将围岩物理力学参数和荷载视为随机 2 随机有限元模拟 变量 ，计算出围岩周边某些单元应力及节点位移的统 百 计特征，然后依据可靠度理论，通过建立功能函数 ，计 2．1 随机有限元模型 算 出岩体单元的失效概率 ，并对隧道稳定性作出判断。 对该双洞隧道Ⅲ类 围岩地段进行有 限元模拟 ，形 本文以某深埋隧道为研究对象，结合有限元软件 AN— 成样本集。围岩材料假定遵循 Drucker—Prager屈服 SYS中的PDS技术，考虑输入参数及荷载 的不确定 准则，为了充分考虑开挖对隧洞围岩的影响，该次模拟 性 ，求取隧道周边应力 、位移统计特征 ，深入分析隧道 取以隧道轴线为圆心的5倍开挖半径范围内的围岩体 在不确定条件下的稳定性。 作为模拟对象。计算采用弹塑性平面应变模型 ，模型 尺寸为60m×60m。隧道边界 =一30In处不发生 1 工程概况 水平位移 ，Y方 向自由；边界Y=一30HI处不发生竖向 某工程为圆形 、双洞隧道 ，隧道半径 5In，全长 位移 ， 方向自由。分别在 =30m及Y：30m处施 4779m，分为左右双洞。以右洞为研究对象 ，隧道最 加水平 、竖直应力。由于模型在乎面内对称，可取 1／4 模型。计算模型及网格如图