公路偏压隧道开挖及支护的数值模拟研究.pdf

公路偏压隧道开挖及支护的数值模拟研究 董淑乾 魏云杰 朱 剑 (1．成都理工大学 “地质灾害防治与地质环境保护”国家重点实验室，成都 610059； 2．北京工业大学 “城市与工程安全减灾”省部共建教育部重点实验室 ，北京 100124) [摘要]在查明隧道围岩工程地质条件的基础上，运用有限元研究了公路隧道开挖与支护过程 中的应力、位移及塑性区的分布规律。结果表明，锚喷支护对于控制围岩拱顶和底鼓的变形作 用明显，拱顶竖向位移在施作锚喷支护后增幅明显减小，在二次衬砌施作之前趋于稳定；隧道 稳定性最不利位置在拱顶、拱腰和底部，建议设计时适当增加锚杆的数量，施工时要加强初期 支护并控制好喷射混凝土的厚度，防止过大的回弹变形。 [关键词]公路隧道；有限元模拟；喷锚支护；塑性区 [分类号]U455 [文献标识码]A 近年来 ，在高速公路隧道施工中，由于地质环 开挖和支护结构进行数值模拟分析 ，探讨隧道在 境的不确定性和模糊性 ，隧道 围岩错综复杂的变 开挖支护中应力变化特征和塑性 区的范围，找 出 化以及隧道开挖支护不合理而造成的事故层出不 隧道在施工过程 中的薄弱部位，确保隧道施工过 穷。隧道开挖后应力重新分布，引起隧道围岩变 程 中围岩稳定与支护安全 ；同时 ，验证支护结构形 形场和应力场的改变，过大的变形和应力集中都 式 ，评价支护结构与施工方法的合理性 ，为优化设 会造成 围岩的破坏 。这种变形和破坏通常从隧道 计参数 、调整施工工艺，提供最直接 、最有效的数 洞室岩体中应力集中程度高、结构面强度低 的最 据 ，并为类似工程的科研工作提供参考依据。 薄弱部位开始，逐步向岩体内部应力一强度关系中 1 工程概况 的次薄弱部位发展 ]。公路隧道研究的方法有物 理实验方法、工程类 比方法和数值模拟方法。物 武都至罐子沟高速公路是兰州至海 口高速公 理实验方法费用高 ，时间长 ；工程类 比法 由于划分 路在甘肃省的重要组成路段 ，本文所研究的隧道 比较粗糙 ，与实际差距较大 ；因而数值模拟快捷方 属于武罐高速公路洛塘至将军石段 。该地区在构 便的特点便 日益成为现代工程界工程稳定性评价 造位置上属秦岭褶皱带、扬子板块北缘褶皱带的 的重要方法 ]。目前岩土工程数值分析方法主要 复合部位 ，复杂的地质历史塑造 了区内多样的岩 有有限差分法 、有限元法、边界元法、离散元法以 石建造 ，多期的变质、变形和岩浆活动，强烈的伸 及非连续变形分析法、流形方法、无网格法等新方 展与推覆剪切和褶皱活动造就 了本地区南北不同 法l3]。本文以 “国家高速公路网”兰州至海 口高速 的地质面貌 。本段高速公路通过的地貌形态属于 公路的武都至罐子沟路段为例，在查 明工程地质 侵蚀构造高中山地貌。境 内山高谷深 ，沟谷发育， 条件的基础上，借助大型通用有限元软件对隧道 悬崖峭壁随处可见 ，沟谷深切呈 “V”字形 ，山体较 完整，局部为第四系覆盖，地势总体上西北高东南 b．模型边界为水平向计算范 围取 200m，竖 低，相对高差达 1～2km 及 以上，属西秦岭 中高 向计算范围取至隧道底部 以下 3倍洞径 ，上方取 山区。沿线出露的地层主要是下元古界碧 口群和 至地表 。模型网格划分如图2所示，模型共划分 第 四系松散堆积层 ，岩性主要有变质砂岩 、砾岩夹 为 1650个单元和 1587个节点。计算荷载考虑 千枚岩、砂质板岩、石英岩 、砾岩、灰岩 ，相互