偏压状态下非对称连拱隧道有限元分析

2018-01-24王佳欣陈振邦

钻探工程 2017年12期

王佳欣，陈振邦，徐燕

(1.吉林大学建设工程学院，吉林长春 130026； 2.镇江新区管委会，江苏镇江 212000)

0 引言

连拱隧道因具有占地面积小、空间利用率高的优点，广泛应用于地形狭窄地段。非对称连拱公路隧道作为一种复杂的连拱隧道结构型式，虽然数量不多，但已有相关研究。汪海滨[1]等结合实例，根据现场监测数据反分析，利用模拟试验，对非对称开挖后位移变化进行研究；朱合华[2]等利用平面有限元方法对非对称连拱隧道进行数值模拟分析，研究其在施工过程中的应力应变情况；于海洋[3]等利用有限元软件对非对称连拱隧道施工方法、加固效果进行了二维数值模拟分析，揭示了施工过程中不同施工方法和注浆措施对隧道周边变形和初期支护结构的影响；胡学兵[4]等结合具体实例，对非对称隧道结构的力学机理进行研究；陈秋男[5]等对中国公路连拱隧道的设计、施工研究作了一些综述；翁其能[6]等用三维软件对双连拱隧道开挖进行仿真模拟分析。

受线路位置和地形条件的限制，非对称连拱隧道的修筑将不可避免地穿越偏压地形，偏压地形条件下非对称连拱隧道具有几何不对称、结构不对称和左右荷载不对称等复杂的力学特征[7-8]，目前对偏压条件下连拱隧道非对称支护结构受力特征研究较少。非对称连拱隧道两个洞径大小不一，在偏压隧道中就出现2种情况：一种是小洞径处于埋深小的一侧(下文简称“工况1”)，一种是小洞径隧道处于埋深大的一侧(下文简称“工况2”)，本文针对偏压状态下的非对称连拱隧道两种工况，进行围岩和衬砌结构受力和变形有限元数值模拟，研究两种工况下围岩及衬砌结构受力及变形特征，从而为隧道的设计提供一定的理论依据。

1 模型建立及参数设定

采用平面应变模型，岩体为理想弹塑性材料，仅考虑自重应力的作用。小隧道洞宽11.368 m，洞高7.848 m，大隧道洞宽14.21 m，洞高9.81 m。考虑隧道开挖的影响范围大于3倍洞跨，隧道底边距模型下边界42 m，隧道两侧距模型左右边界各取42 m。偏压坡度比为1∶2，最小覆盖层厚度为12 m，属于浅埋偏压隧道(图1、图2)。本模型左、右和下部边界均施加法向约束，上部为自由边界[9]，隧道采取全断面开挖形式。

图1工况1隧道网格模型图2工况2隧道网格模型

隧道围岩选取Ⅴ级围岩，其围岩弹性模量、泊松比、重度、内摩擦角以及粘聚力根据《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)表A.0.4-1Ⅴ级围岩指标值确定，锚杆的加固效果采用提高围岩的物理力学参数进行模拟，具体方法为将锚杆加固范围的围岩等级提高一级[10]，加固厚度为1.1 m，衬砌结构采用钢筋混凝土材料，厚度为40 cm(表1)。

表1 围岩和衬砌物理力学参数

2 数值模拟分析

利用ANSYS软件分别对图1和图2所示隧道进行数值仿真模拟，分析其开挖支护后围岩总位移、围岩主应力值及衬砌内力。

2.1 围岩总位移分析

图3、图4表示隧道经全开挖后围岩的总位移情况。图3所示围岩最大位移为113.12 mm，图4所示围岩最大位移为112.89 mm，两种工况位移量都很小，且相差不大。

2.2 围岩主应力

为描述不同偏压条件下隧道洞室的稳定性和衬砌结构的受力变化特性，引入偏压系数λ。偏压系数计算公式为：

图3 工况1总位移(单位：m)

图4 工况2总位移(单位：m)

(1)

式中：σ左、σ右——分别为左侧、右侧特征点围岩应力值，kPa；σ0——平均围岩应力值，kPa。

通过软件模拟分析，得到各个特征点围岩的最大、最小主应力值。根据得到的最大、最小主应力值，通过式(1)计算出偏压系数，其数值如表2、表3所示。表中主应力正值为拉应力，负值为压应力。

表2 各特征点围岩最小主应力

表3 各特征点围岩最大主应力

分析表2、表3可知：

(1)从最大、最小主应力可以看出，不管是工况1还是工况2所示隧道，其浅埋一侧的隧道在拱腰、拱脚处应力值要小于深埋一侧的隧道应力值，但是拱顶处浅埋一侧应力值大于深埋一侧，这是因为开挖前后地层遭到扰动，此时主要以应力释放和沉降变形为主，随着变形增大，深埋侧地表开始出现拉应力，应力增大，拱顶上部浅埋地层会出现拉裂破坏。显然在本例中只在深埋侧地段出现了拉应力，抵消了一部分压应力，故深埋段拱顶压应力小于浅埋段拱顶压应力。

(2)从偏压系数的角度出发，工况1出现的偏压系数数值大普遍大于工况2，说明工况1的隧道围岩受力更不均匀。