（交通运输工程专业论文）年拉山隧道开挖过程围岩稳定性分析.pdf

摘要 本文以年拉山隧道为工程背景，采用目前较为成熟的弹性力学理论及地下工 程所涉及的围岩应力理论，通过有限元数值模拟方法，对年拉山隧道级围岩段 和v 级围岩段的衬砌形式和开挖方案在施工过程中的力学性态进行分析。在此基 础上，对原v 级围岩段隧道断面进行优化，并分析其力学性态。 本文的所做的主要工作如下： ( 1 ) 讨论了隧道初始地应力场及围岩应力基本理论和对隧道围岩地应力进行 模拟的有限元数值分析原理； ( 2 ) 讨论了由年拉山隧道实际工程到数学模型的简化、其物理力学参数的选 取以及隧道围岩开挖的有限元数值模拟方法； ( 3 ) 通过有限元数值分析方法，在年拉山隧道级围岩段和v 级围岩段现行 设计的衬砌结构和施工方案下，对其开挖过程进行模拟，分析其计算结果和开挖 稳定性； ( 4 ) 在原v 级围岩段隧道的设计基础上，对隧道断面形式进行改进，以原设 计的同样的计算步序对改进的隧道施工过程进行分析，分析其计算结果、开挖稳 定性及工程经济性，并与原设计计算结果进行比较。 通过以上计算和分析，得出如下结论： ( 1 ) 既有设计的级围岩段隧道衬砌条件和其开挖方案在施工过程中围岩基 本处于稳定状态，此段隧道在施工和运营中的安全性较好； ( 2 ) 在既有设计的v 级围岩段隧道衬砌条件和其开挖方案下，隧道在施工过 程中的围岩基本稳定，但边墙底部初衬出现较大剪力，因此初衬在施工时，应对 边墙底部应予以加强。 ( 3 ) 对v 级围岩段隧道断面进行优化后，隧道在施工过程中局部衬砌仍出现 较大应力，但较原设计的计算结果已减小很多。 ( 4 ) 综合比较断面优化后的隧道和原v 级围岩段隧道的开挖模拟计算结果可 得出，隧道断面优化后比原设计具有更好的开挖稳定性和衬砌受力性能。 ( 5 ) 将断面优化后的隧道在施工中的经济性与原设计进行对比可得出，隧道 断面优化后其经济性优于原设计。 关键词：隧道：稳定性分析；有限元；断面优化：经济效益 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , e l a s t i c i t yt h e o r ya n d s u r r o u n d i n gr o c kp r e s s u r et h e o r yw h i c h h a v e b e e n m a t u r ec u r r e n t l yw a sa d o p t e db a s e do nt h eb a c k g r o u n do f n i a n l am o u n t a i nt u n n e l n 地 m e c h a n i c a lb e h a v i o u ro ft h ee x i s t i n gl i n i n ga n de x c a v a t i o nd e s i g n sf o rf o u r - g r a d ea n d f i v e g r a d er o c ki nn i a n l am o u n t a i nt u n n e lw a sa n a l y s e di nt h es i m u l a t i o no ft h e c o n s t r u c t i o np r o c e s sb yf e m o nt h eb a s e ，t h ec r o s ss e c t i o nd e s i g n e df o rt h ef i v e - g r a d e r o c ko ft h et u n n e lw a so p t i m i z e d 1 1 1 eo p t i m i z e dd e s i g nh a st h es a n l el i n i n gs t r u c t u r e a n de x c a v a t i o ns c h e m ew i t l lt h ef i v e - g r a d er o c kt u n n e l 1 1 抡c o n s t r u c t i o np r o c e s so fi t w a ss i m u l a t e dw i t hf e m n l em e c h a n i c a lb e h a v i o u ra n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l to ft h e d e s i g nf o rt h ef i v e - g r a d er o c k t u n n e la n dt h eo p t i m i z e dw a sa n a y s e da n d c o m p a r e d 1 1 1 em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra l ea sf o l l o w s 1 f i v et y p e so fs h e d - t u n n e ls t r u c t u r ew e r ea n a l y s e d , a n dt h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c t , t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs h e d - t u n n e lw e r ed i s c u s s e d 2 a c c o r d i n gt ot h ec o n s t r u c t i o np r i n c i p l e sa n dt h ec o n s t r u c t i o ns t e p s ，t h ew h o l e c o n s t r u c t i o np r e e e s so fas h e d - t t m n e lw a ss i m u l a t e d 、析t l lf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n di t s r e l a v a n ts o f t w a r e 3 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i cf e a t u r eo fs h e d - t u n n e la n dg r o u n ds t r u c t u r e ，t h e s c s m i cr e s p o n s eo fs e v e r a lt y p e so fs h e d t t m n e lw a sa n a l y s e d 、) l ，i t l lt h eu n i f i e d v i s c o u s s p r i n gb o u n d a r yf o rs t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s o nt h eb a s e ，ar a t i o n a l a s e i s m i cs t r u c t u r ef o r mw a sp r o p o s e d 4 田1 e3 - df i n i t ee l e m e n tm o d a lo ft h ec o n n e c t i o np a r to fat u n n e la n di t ss h e d - t u n n e l w a sb u i l t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es e i s m i cr e s p o n s ea n dt h ej o i n tt y p ei nt h e s h e d - t u n n e la n dt h eh i d d e nh o l eu n d e rs e i s m i cl o a dw a ss t u d i e d b a s e do nt h ea b o v ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，f o l l o w i n gc o n c l u s i o nw a sg i v e n 1 f i v et y p e so fs h e d - t u n n e ls t r u c t u r ew e r ea n a l y s e d , a n dt h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c l t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s0 fs h e d t u n n e lw e r ed i s c u s s e d 2 a c c o r d i n gt ot h ec o n s t r u c t i o np r i n c i p l e sa n dt h ec o n s t r u c t i o ns t e p s ，t h ew h o l e c o n s t r u c t i o np r e e e s so fas h e d - t u n n e lw a ss i m u l a t e dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n di t s r e l a v a n ts o f t w a r e 3 a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i cf e a t u r eo fs h e d - t u n n e la n dg r o u n ds t r u c t u r e ，t h e s e s m i cr e s p o n s eo fs e v e r a lt y p e so fs h e d - t u n n e lw a sa n a l y s e dw i t l lt h eu n i f i e d v i s c o u s s p r i n gb o u n d a r yf o rs t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s o n t h eb a s e ，ar a t i o n a l a s e i s m i cs t r u c t u r ef o r mw a s p r o p o s e d 4 ac o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o no ft h ee x c a v a t i o ns i m u l a t i o nr e s u l t sg o t t e nf r o mt h e o p t i m i z e dt u n n e la n dt h eo r i g i n a lf i v e - g r a d es u r r o u n d i n gr o c kt u n n e lw a sm a d e a n da c o n c l u s i o nw a sg o t t e nt h a tt h em e c h a n i c a ls t a b i l i t yo fe x c a v a t i o na n dt h el i n i n g p e r f o r m a n c eo f t h eo p t i m i z e dt u n n e ls e c t i o ni sb e t t e rt h a nt h a to f t h eo r i g i n a ld e s i g n 5 t h ee c o n o m i cb e n e f i to ft h et u n n e lo p t i m i z e di sb e t t e rt h a nt h a to ft h eo r g i n a l d e s i g n k e y w o r d s ：t u n n e l ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e m t , o p t i m i z a t i o no fc r o s ss e c t i o n , e c o n o m i cb e n e f i t 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 通毯辨 日期：功晖多月彤日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：亚色彩! 仁 日期：1 0ld 年箩月“日 指导教师签名 - - 施加在弹性体上的外载； 应力在虚应变上所作的虚功，是贮存在弹性体内的虚应变能，用i s u 表示，因 此可得 b u = c 协 1p 沙 ( 2 4 ) 式中： 仃 _ 一弹性体的应力矩阵 由虚功和虚位移的概念，虚位移原理叙述为：如果在虚位移发生之前，弹性 体处于平衡状态，那么在虚位移发生时，外载在虚位移上所作的虚功就等于弹性 体的虚应变能和应力在虚应变上所作的虚功，即： 嬲= 刃 ( 2 5 ) 或 矿) r p ) = c 魔r 弦y ( 2 6 ) 上式就是用于弹性体分析时的虚位移原理的一般表达式。应用时必须保证弹 性体的热能或动能没有改变，这样，按照能量守恒原理，虚应变能的增加应当等 第二章隧道围岩应力及其有限元分析理论 1 2 于外力位能的减小，也就是等于外力所作的虚功。 外力包括集中力、体积力和表面力，对于弹性体而言，上述外力的虚功为 6 w = a y y 取 + c 矿y 话弦y + f 矿) 7 扫 a s ( 2 7 ) 式中 纱y = 锄西y ；第一项为集中力虚功或位能：第二项为体积力虚功或位 能；第三项为表面力虚功或位能。 最小位能原理也称为最小势能原理，它是虚位移原理的另一种形式。根据虚 位移原理，则有 硼一b w = 舢+ ( - a w ) = 0( 2 8 ) 由于虚位移是微小的，在虚位移过程中，外力的大小和方向可看成常量，只 是作用点有了改变。这样，就可以把上式中的变分记号6 提到括号外面，即 舢一删= 0 ( 2 9 ) 令l - i = u w ，则有 万兀= 0 但1 0 ) n 称为弹性体的总位能。它就等于弹性体的应变能u 与外力位能w 的代数和。 由于弹性体的总位能的变化是虚位移或位移的变分引起的，那么，给出不同的位 移函数，就可以对应于该位移函数的总位能，而使总位能最小的那个位移函数， 接近于真实的位移解。从数学的观点来说，万兀= 0 ，表示总位能位移函数的一次 变分等于零。因为总位能是位移函数的函数，称作泛函，而艿兀= 0 就是对泛函求 极值。如果考虑二阶变分，就可以证明：对于稳定平衡状态，这个极值是极小值， 这就是最小位能原理或极小位能原理啪1 。 据上述分析，最小位能原理可以叙述为：弹性体在给定的外力作用下，在满 足变形协调条件和位移边界条件的所有各组位移解中，实际存在的一组位移应使 总位能成为最小值。这样，就可以利用最小位能原理求弹性体的位移。 2 2 2 有限元的分析过程 有限单元法的分析过程，概括起来可以分为以下六个步骤： ( 1 ) 结构的离散化 结构的离散化是有限单元法分析的第一步，它是有限元法的基本概念。所谓 离散化简单地说，就是将要分析的结构物分割成有限个单元体，并在单元体的指 定点设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集 合体，用它代替原来的结构。如果分析的对象是连续体，那么为了有效地逼近实 际的连续体，就需要考虑选择单元的形状和分割方案以及确定单元和节点的数目 等各种问题。 ( 2 ) 选择位移模式 第二章隧道围岩应力及其有限元分析理论 1 3 在完成结构的离散后，就可以对典型单元进行特性分析。此时，为了能用节 点位移表示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，须对单元中位移 的分布作出一定的假定，也就是假定位移是坐标的某种简单的函数，这种函数称 为位移模式或插值函数。 选择适当的位移函数是有限元法分析中的关键。通常选择多项式作为位移模 式。其原因是因为多项式的数学运算( 微分和积分) 比较方便，并且由于所有光滑函 数的局部，都可以用多项式逼近。 根据选定的位移模式，可以导出用节点位移表示单元内任一点的位移关系式， 其矩阵形式为 杪 = 【n y ( 2 1 1 ) 式中： 扩 一单元内任一点的位移列阵； 万r 一单元的接点位移列阵； l n i 一形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。 ( 3 ) 分析单元的力学特性位移模式选定以后，就可以进行单元的力学特性分 析，包括下面三部分内容： 利用几何方程( 2 1 1 ) 给出结点位移表示单元应变的关系式 p ) = 【b 弦 。 ( 2 1 2 ) 式中：p ) 一单元内任一点的应变列阵；【b 】一单元应变矩阵。 利用本构方程，由应变的表达式导出结点位移表示单元应力的关系式 p = 【d i b 。 ( 2 1 3 ) 式中：p ) 一单元内任一点的应力列阵；【b 】一单元应变矩阵。 利用变分原理，建立作用于单元上的结点力和结点位移之间的关系式，即 单元的平衡方程 扩 。= ”p 。 ( 2 1 4 ) 式中： 七卜一单元刚度矩阵，其表达式为 承 。= f f 陋n d p 蜘 ( 2 1 5 ) 利用变分原理还同时导得等效结点力 f 。 在以上三项中，导出单元刚度矩阵是单元特性分析的核心内容。 ( 4 ) 集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程 这个集合包括有两方面的内容：一是将各个单元的刚度矩阵，集合成整个刚 第二章隧道围岩应力及其有限元分析理论 1 4 度矩阵；二是将作用于各单元的等效结点力列阵，集合成总的载荷列阵。最常用 的集合刚度矩阵的方法是直接刚度法。一般来说，集合所依据的理由是要求所有 相邻的单元在公共结点处的位移相等。于是得到以整个刚度矩阵 k 】、荷载矩阵【f 】 以及整个物体的结点位移列阵 万 表示的整个结构的平衡方程 k 黔 = 伊 ( 2 1 6 ) 这些方程还应该考虑集合边界条件作适当的修改之后，才能够解出所有的未 知结点位移。 ( 5 ) 求解未知结点位移和计算单元应力，由集合起来的平衡方程组( 2 1 6 ) 解出 未知位移。 ( 6 ) 利用公式( 2 1 4 ) 和已求出的结点位移计算各单元的应力，并加以整理得出 所要的结果1 。 ： 2 2 3 围岩弹塑性问题的增量有限元理论 将弹塑性应变增量和应力增量之间的关系近似地表示为 p ) = 陋l p ( 2 1 7 ) 弹塑性矩阵诂 是单元当时应力水平的函数，与它l - j l 拘增量无关。因此上式 可以视为线性的。 为了达到线性化的目的，需要采取逐步增加荷载的办法，即荷载增量法。在 一定应力和应变的水平上增加一次荷载，而每次增加的荷载要适当地小，以至求 解非线性问题可以用一系列线性的问题来代替。 弹塑性增量有限元方程为 医脚) = 卸 ( 2 1 8 ) 对于某一增量荷载步撑，解以上方程组可得 衄l ，由 甜l 可计算弹性应变增 量： p z = i b m , 4 。 ( 2 1 9 ) 由应变增量可计算应力增量： 仃l = 【d 】印 s l ( 2 2 0 ) 或 仃k = p l l ( 2 2 1 ) 然后可求出万荷载步的应力： 第二章隧道围岩应力及其有限元分析理论 1 5 p 。= p ) 。+ p ) ， ( 2 2 2 ) 为了使应力满足屈服准则，必须对超出屈服面的应力予以调整，使其回到屈 服面上。 2 3 本章小结 对隧道施工过程的应力等各项力学性态的分析涉及围岩压力和数值分析方法 等各种理论。本章对隧道开挖过程模拟中涉及的围岩压力理论、有限元方法基本 理论和围岩弹塑性增量有限元理论进行了讨论，具体包括以下几个方面。 ( 1 ) 介绍了岩体初始应力状态、围岩压力及其分类； ( 2 ) 隧道围岩在支护后以及围岩应力重分布后的应力状态； ( 3 ) 有限元数值分析方法的基本理论； ( 4 ) 围岩弹塑性分析中所涉及的增量有限元理论。 第三章年拉山隧道工程概况及计算模型 16 第三章年拉山隧道工程概况及计算模型 3 1 工程概况 国道2 1 4 线滇藏公路( 西藏境) 年拉山至邦达机场段整治改建工程路线全长 7 7 3 1 6 k m ，项目起点桩号为k 1 3 6 7 + 0 0 0 ，终点桩号为k 1 4 4 4 + 4 2 0 ，全线海拔3 1 3 5 4 5 0 0 m ，平均海拔3 7 0 0 m 。国道2 1 4 线滇藏公路( 西藏境) 年拉山至邦达机场段 ( 以下简称“滇藏公路年邦段”) 位于西藏昌都地区境内，是昌都至邦达机场公路的 重要组成部分。它北起年拉山北坡山脚( 年察公路与昌都至邦达机场道路岔路 口) ，经察雅县吉塘镇、八宿县益庆乡，南至昌都八宿县邦达机场南侧，与邦达机 场至邦达兵站公路起点相接。 滇藏公路年拉山至邦达机场段在国家干线公路网中，是国道2 1 4 线西宁至景 洪公路的重要组成部分。在西藏境内的国道2 1 4 线，是西藏自治区规划的“三纵、 两横、六个通道”骨架路网中的第一纵向干线，是5 条进出藏公路之一，是西藏沟 通云南省的唯一陆上通道，又是西藏连接青海省的第二条公路通道。由此可见， 滇藏公路年邦段在国道网和区域路网中的地位十分突出，自建成以来一直成为西 藏东部地区通往云南、青海的主要运输干线，对西藏，特别是对藏东地区的政治 稳定、民族团结、经济繁荣和社会发展发挥了重要作用。 滇藏公路年邦段于1 9 5 3 年初开始修建，1 9 5 4 年底基本建成通车。路线沿着古 老的“茶马古道”，行进于澜沧江西岸，沿线海拔高程3 1 3 5 - 4 5 0 0 米，气候、地形、 地质等条件复杂多变，地质灾害主要有滑坡、崩塌、泥石流、水毁等，规模较大， 危害较严重。特殊艰险的自然条件和特殊困难的修建时期，使得滇藏公路年邦段 整体性先天不足，路线指标不能满足三级公路的技术标准。 滇藏公路年邦段从建成至“九五”以前的4 0 多年里，基本是维持着最初的粗通 状态，虽经过几次局部的整治，但都是灾后恢复性、小局部的整治保通。1 9 9 6 1 9 9 9 年间，滇藏公路年邦段曾按三、四级公路技术标准实施改建，改建内容主要 是拓宽路基，路面黑色化，将部分临时设施改建为永久性工程，加强了管养体系。 通过这次改建，本路段技术状况较以前有所改善，但由于受投资限额的控制，一 些路段公路等级低、路基宽度不足、防护工程严重短缺、防灾抗灾能力弱等问题 未能得到根本解决。改建后虽然道班工人辛勤养护，道路状况和服务水平仍难满 足客观需要，一直处在疲于应付的不良状态。 现有公路的主要问题表现为：公路抗灾能力弱、行车条件差、安全无保障； 崩塌、泥石流、水毁、路基翻浆、涎流冰、雪害等公路灾害在不利季节时有发生， 造成断道阻车，危害车辆行人。 第三章年拉山隧道工程概况及计算模型 1 7 作为国家重点公路和西藏自治区骨架公路网重要路段以及昌都至邦达机场专 用通道的重要组成路段，滇藏公路年邦段在国道网和区域路网中地位突出，其改 建的重要性被提升到了一个空前的高度，凸显必要和迫切。 年拉山隧道位于年拉山中部，全长1 4 5 0 m ，起讫桩号k 1 3 8 0 + 6 7 0 k 1 3 8 2 + 1 2 0 ， 包括隧道进出口各1 0 m 明洞。围岩地质分级：v 级围岩3 6 0 m 、i v 级围岩1 0 9 0 m ； 衬砌分级：进出口各1 0 米明洞，v 级衬砌段3 7 5 米、级a 型段7 6 0 米，级b 型段2 9 5 米。隧址区属高山地貌区，年拉山在此段近南北向展布，地势陡峭，地 形起伏大。测段高程3 1 6 5 5 0 - - 3 6 6 9 0 0 米，最大埋深4 6 9 1 6 米。 在此改建工程中，根据不同地形和地质条件设计速度分别采用了3 0 k m h 和 4 0 k m h ，年拉山隧道采用了3 0 k m h 的设计标准，其所在的路段主要技术指标见表 3 1 。 表3 1 公路主要技术指标表 f i g 3 1m a i nt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n so f t h er o a d 指标名称单位指标值 路段 计算行车速度 公路里程 路基宽度 平曲线最小半径 最大纵坡最小坡长 竖曲线最小半径 会车视距 大、中桥设计洪水频率 路基及小桥涵设计洪水频率 地震动峰值加速度系数 桥涵设计车辆荷载 隧道建筑限界 k m h k m 1 1 1 ( 一般极限) 1 1 1 m ( 凸形凹形) i n m | | | k 1 3 6 7 + 0 0 帐1 4 1 4 + 4 0 0 3 0 4 7 6 5 + 2 x0 5 6 5 3 0 8 1 0 0 4 0 0 2 5 0 6 0 l 5 0 1 2 5 o 1 0 公路一兀级 宽：2 3 5 m + 2 0 2 5 m + 2 0 7 5 m = 9 m ，净高高5 m 3 2 工程地质条件评价 年拉山隧址区出露地层除第四系覆盖层外，还出露有侏罗系中下统察雅群 ( j 。2 c ) 和三叠系上统巴贡群( t 产) ，其东为侏罗系，岩层产状为2 2 0 7 0 。，其 西为三叠系，岩层产状为9 6 么2 9 。，两套地形呈平行不整合接触。在东侧出现多 条挤压断裂带，具体为k 1 3 8 0 + 6 4 5 、k 1 3 8 0 + 7 2 0 、k 1 3 8 0 + 7 5 0 、k 1 3 8 0 + 8 0 0 、 k 1 3 8 0 + 8 6 0 - k 1 3 8 0 + 9 8 1 3 。 隧道围岩级别分类及各段起讫里程见表3 2 。 第三章年拉山隧道工程概况及计算模型 l8 3 3 隧道衬砌设计及支护条件 表3 3 隧道复合式衬砌设计支护参数表 t a b 3 2t h ed e s i g n e ds u p p o r t i n gp a r a m e t e ro f c o m p o s i t el i n i n go f t h et u n n e l 如表3 3 所示，明洞拱圈、墙部及仰拱均采用c 3 0 钢筋混凝土，套拱采用c 2 5 混凝土，仰拱回填采用c 1 5 片石混凝土；洞口设计为大管棚超前支护；洞内v 级 第三章年拉山隧道工程概况及计算模型 1 9 围岩设仰拱，初支为巾8 9 超前注浆管棚( 4 0 厘米间距，进洞第一环) ，m5 0 超前 注浆小导管( 3 5 厘米间距) ，由2 5 注浆中空锚杆、1 2 0 a 工字钢型钢钢架( o 7 米间 距) c 2 5 喷射混凝土2 5 c m 厚，开挖设计预留变形量1 2 e r a 。二次衬砌为4 5 c m 厚 c 3 0 钢筋混凝土；级a 型围岩初支为设仰拱，初支为巾2 5 超前注浆锚杆、巾2 2 砂浆锚杆、钢筋钢架( 1 米间距) c 2 5 喷射混凝土2 0 e r a 厚，二次衬砌为4 0 c m 厚 c 3 0 混凝土，开挖设计预留变形量8 c m ；i v 级b 型围岩初支为不设仰拱，初支 为巾2 5 超前注浆锚杆、巾2 2 砂浆锚杆、钢筋钢架( 1 米间距) c 2 5 喷射混凝土2 0 c m 厚，二次衬砌为4 0 c m 厚c 3 0 混凝土，开挖设计预留变形量8 e r a ；应急停车带设仰 拱，初支为m5 0 超前注浆小导管、咖2 2 砂浆锚杆锚杆、1 1 6 工字钢型钢钢架( 0 9 米间距) c 2 5 喷射混凝土，二次衬砌为5 0 e r a 厚c 3 0 钢筋混凝土，开挖设计预留变 形量1 0 e r a 。 3 4 年拉山隧道数值分析模型及其开挖模拟 3 4 1 基本假设 本文采用有限元法建立数值分析模型，以此来模拟不同条件下隧道支护后围 岩压力的变化情况。本模型做了如下假定： 根据隧道围岩特性和岩体结构特征，将围岩视为各向同性、均质连续介质： 岩体初始应力场仅考虑上覆层自重应力，不考虑构造应力； 地应力分步释放，释放率根据不同围岩进行选择； 隧道为平面应变问题，不考虑地下水的影响。 很显然，作以上假设后，模型所能反映的工程实际情况的程度有限。围岩的 各向同性、均质连续性假设以及对构造应力的忽略使模型计算仅适用于质地均匀、 无成层岩体的围岩段隧道。将实际工程简化为二维平面模型后，更使模型计算仅 能反映无纵向剪力的围岩段隧道。 3 4 2 单元的选择及数值分析实现 使用有限元法进行隧道开挖模拟计算时，可供使用的单元较多。本文计算将 根据其单元特性选择单元进行模拟围岩以及支护结构体。 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司研制的大型通用有限元分析( f e a ) 软件卿1 。 a n s y s 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序。能够进行包括结 构、热、声、流体、电磁场等学科的研究。在核工业、铁道、石油化工、航空航 天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、 轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。因此，本文数值分析的具 第三章年拉山隧道工程概况及计算模型 2 0 体实现所用的软件确定为大型有限元软件a n s y s 。 1 ) 围岩模拟 在平面静力分析中，使用平面4 节点实体线性单元( a n s y s 中的p l a n e 4 2 ) 进行模拟。该单元为平面线性，可用于平面应力、平面应变和轴对称分析，同时 单元支持包括m i s e s 塑性，d p 塑性、大变形等多种非线性计算，精度也较高，由 于单元形函数为二次，因此即使在单元相对较少时计算精度却仍然较高。 2 ) 初衬的模拟 在平面静力计算模拟时一般都使用梁单元进行模拟，使用a n s y s 中的b e a m 3 单元进行模拟。由于初衬中有钢拱架和喷射混凝土，此处采用抗弯刚度等效的原 则以增大混凝土梁截面的方法模拟钢拱架的加强作用。 3 ) 锚杆的模拟 锚杆的模拟计算一般可以采用等效材料和杆单元。由于本次计算为了更好研 究支护结构的内力变化和支护效果，因此在a n s y s 中使用杆单元l i n k l 进行模拟。 4 ) 二次衬砌的模拟 二次衬砌由于厚度较大，此处也采用平面4 节点实体线性单元( a n s y s 中的 p l a n e 4 2 ) 进行模拟。 3 4 3 有限元模型及其物理力学参数 由于级围岩中隧道两种衬砌形式的开挖方案相同，本文的开挖模拟数值模 拟仅对v 级围岩衬砌和级围岩a 型衬砌的开挖稳定性进行分析。两种衬砌设计 的开挖方案如图3 1 和图3 2 所示。隧道内轮廓断面宽9 m ，高8 m 。两种衬砌形式 除了在衬砌厚度上不同外，级围岩由于力学性能较好，底部仰拱没有初衬。 图3 1 级围岩隧道开挖步序图图3 2v 级围岩隧道开挖步序图 f i g 3 1e x c a v a t i o ns t e po f f o u r - g r a d er o c km a s sf i g 3 2e x c a v a t i o ns t e po f f i v e - g r a d er o c km a s s 计算中选取某段埋深为2 5 米的隧道进行平面应变分析。平面有限元模型计算 第三章年拉山隧道工程概况及计算模型 2 1 范围为水平方向在两侧拱墙之外各取6 0 m ；竖直方向为拱顶以上取埋深距离，仰 拱底以下取2 5 m 。边界条件为顶部自由边界，底部施加横向和竖向约束，两侧施 加横向约束。 表3 4 计算模型物理力学参数表 t a b 3 3p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f t h ec a l c u l a t i n gm o d a l 模型在计算过程中围岩弹塑性采用d r u e k e 卜p r a g e r 屈服准则模拟，各材料物理 力学参数见表3 4 。 表中型钢的物理力学参数在模型计算中并未设置，而是按上述抗弯刚度等效 的原则将模拟初衬的梁单元截面扩大以模拟钢架的加强作用，因此表中型钢的弹 性模量和泊松比并未用到，而密度则通过等效原则综合混凝土和钢材的密度，计 算出模拟初衬的梁单元的密度。 3 4 4 隧道开挖和支护过程的模拟乜7 侧 隧道开挖时破坏了岩体内原有的应力平衡，围岩内的质点在地应力作用下， 沿最短距离向消除阻尼的自由表面方向移动，引起围岩内应力的重新分布，直至 到达新的平衡。模拟这一开挖效果目前普遍采用邓肯( d a n c a njm ) 提出的反转“应 力释放法则在开挖边界上作用“等效释放荷载 ，这一等效释放荷载等价于原来 作用在该边界的初始地应力，但方向相反。岩体由于开挖所引起的位移和应力的 变化正是由这一等效释放荷载引起的。 在a n s y s 中，可以用杀死和激活单元来模拟材料的消去和添加。利用单元的 这种生死功能，可以简单有效地模拟隧道的开挖和支护过程。 杀死单元时，程序将通过用一个非常小的数乘以单元的刚度，并从总质量矩 阵消去单元的质量来实现“杀死单元。无活性的载荷( 压力、热通量、热应变等 等) 被设置为零。隧道开挖时，可直接选择将被开挖掉的单元，然后将其杀死( e k i l l ) ， 即可实现开挖的模拟。 施作支护时，可首先将相应支护部分在开挖时被杀死的单元激活( e a l i v e ) ，然 后改变其材料性质参考号( m p c h g ) 。当单元被重新激活时，它们具有零应变状态， 第三章年拉山隧道工程概况及计算模型 2 2 且若大变形选项打开( n l g e o m , o n ) 的话，它们的几何性质( 长度、面积等) 被修改来与 它们的现在的偏移位置相适应。 在一些情况下，单元的生死状态可以根据a n s y s 的计算结果来决定，如应力、 应变等。利用这一功能，在模拟过程中根据计算结果，可以将超过许用应力( 线弹 性分析时) 或许用应变( 弹塑性分析时) 的单元杀死，以此来模拟围岩或结构的破坏。 a n s y s 单元生死功能在杀死或激活单元时，对单元的内在属性，如应力、位移等， 作了有效的处理。因此使用单元的生死功能来模拟隧道的开挖和支护，比单纯使 用“空单元模拟开挖和改变材料号来模拟支护更为准确，结果更为可靠。 3 5 本章小结 本章针对论文所依托的工程年拉山隧道，简要介绍了年拉山隧道的工程概况、 水文地质条件、隧道衬砌设计及支护条件、隧道有限元模型的建立以及隧道开挖 过程的模拟方法，具体包括以下内容： ( 1 ) 年拉山隧道所处的国道2 1 4 线滇藏公路地理位置、水文地质条件及建设 历史等，以及年拉山隧道在此线路中的位置等； ( 2 ) 年拉山隧道的工程地质评价、围岩级别分类及所处的围岩段具体桩号； ( 3 ) 已设计的年拉山隧道复合式衬砌及支护条件； ( 4 ) 采用有限元法对年拉山隧道进行建模，对其单元的选择、数值分析具体 实现以及隧道建模所采用的物理力学参数进行了具体讨论，顺便介绍了原设计的 隧道开挖方案及其模型简化； ( 5 ) 隧道开挖和支护过程的数值模拟在a n s y s 中的具体实现。 第四章缓围岩段隧道蔚工过程数值模拟 2 3 第四章级围岩段隧道施工过程数值模拟 4 1 隧道开挖支护过程模拟 级围岩段隧道的施工应遵循“短进尺、快封闭、支护及时成环”的原则。 此围岩段隧道采用上下台阶法开挖；其开挖步序如图3 1 所示。其主要旌工步 骤如下： 开挖上台阶，并施作该部分的初衬： 开挖下台阶，并施作该部分的初衬； 二次衬砌施作。 表41 各计算步的荷载释放率 t a b 4 il o a d 把l e a s l a g r d t e o f e a c hc a l c u l a t i o ns k d 所有施工步骤共模拟为5 个计算步，分别为开挖上台阶、上台阶初衬、开挖 下台阶、下台阶初衬及二次衬砌旆作。荷载的释放采用上述反转“应力释放”法 则，其等效释放荷载在每个计算步的荷载释放率见表4l 。其中前一施工步的围岩 边界在后续的开挖中若边界被开挖，则该部分边界反力应置为零。 4 2 施工过程围岩应力分析 ( 曲竖向应力横向应力 图4 1 围岩初始应力场 f i 9 4 1l r “s ls e s s f i e l do f t h er o c k m a 按照上述开挖步序所对应的计算步逐步进行计算分析，得出开挖后的模型围 岩体受扰动后的应力图。由于隧道模型模拟的是隧道浅埋段计算荷载主要是岩 第四章级围岩段隧道施工过程数值模拟 2 4 体的自重，应力场的分析也主要考虑竖向应力啡捌。本文作为对比，对横向应力也 作相应分析。 ( 曲竖向应力( b ) 横向应力 图4 2 开挖上台阶的应力场 f i 9 4 2s t r e s s f i e l d f o r m e da f t e r t h ee v a l l o no f u p p e r 州 f a l 竖向应力 = 暑= = 尝_ 乙 佑1 横向应力 图4 3 支护上台阶的应力场 f i 9 43s t r e s s f i e l d f o r m e da f t e r l s t l i n i n g o f u p p e rs t e p ( a ) 竖向应力 ，! 9 掌i _ 帕) 横向应力 图4 t 4 开挖下台阶的应力场 f i g 44s t r e s s f i e l d f o r r a e da f t e r t h e 韩c g v a d o no f l o w e r s t e p 一一 一一 第四章级围岩段隧道掩工过程数值模拟 2 5 蠹了一_ 两屠i 一 _ ，号产，_ ，- 冒_ l ， ( 吣竖向应力 黑产= _ ，= 一_ 骨= _ _ _ _ = = j ，。 彻横向应力 围4 5 支护下台阶的应力场 f i g 45s t r e s s f i e l d f o r m e d a b 日l a t l i n i n g o f l o w e x s t e p 一_ _ 。二 “ ，一。1 _ 烹暑节鼍 _ _ ( a ) 竖向应力o ) 横向应力 闰4 6 施作二玫衬砌的应力场 f i g 46s t r 皓s f i e l d f o r m e da f t e r 2 e d l i n i n g 图41 图4 6 显示了开挖过程中围岩的竖向应力和横向应力的变化。 从开挖过程的竖向和横向应力云图可以看出，每一步开挖后，横向和竖向的 应力均进行了重分布。随着每一步开挖和支护的进行，初始应力场在隧道开挖边 界的应力逐渐释放，因此第一步开挖和支护后模型的应力场都有所改变。 开挖和支护上台阶时，由于施工操作较及时，隧道围岩应力场所出现的应力 集中现象较少，即应力场在围岩区域内少有急剧变化。开挖和支护下台阶时，在 拱脚处出现相对于周围区域的少许高应力区，但其值并不大，施工过程中最大竖 向应力和横向应力分g 约为l4 7 m p a 和o9 6 m p a ，此数值均小于混凝土围岩的容 许应力值。据此可以初步推断，从隧道开挖过程的应力场上看，隧道的开挖是稳 定的。 4 3 施工过程围岩位移场分析 开挖模拟中的计算各步所得围岩位移场云图如图4 卜图4 1 i 所示。从图中可 以看出： 第四章级围岩段隧道施工过程数值模拟 2 6 _ ，_ ! = _ _ ! _ 吁i 百f ， ( a ) 竖向位移 ，? 鼍旱：_ ，- - = = t 1 _ 0 ) 横向位移 图4 7 开挖上台阶的位移场 f i g 4 7 d i s p l a c e m e n t f i e l d f o r m e d a f t e r t h ee x c a v m i o no f u p p e r m e 口 。一 ( a ) 竖向位移 c o ) 横向位移 图4 8 支护上台阶的位移场 f i 9 48 d 曲l a c e m e n t f i e l d f o r m e d a f t e r l s t l i n i n g o f u p p e rs t e p 焉= _- 够 = = 气- _ j 。：_ ! = ：? ：”= i _ = ( 曲竖向位移国) 横向位移 图4 9 开挖下台阶的位移场 f i 9 4 9 d i s p i a r e m e n t f i e l d f o r m e d m t h ee x c a v a t i o no f l o w e r s t e p ( 1 ) 从竖向位移来看，开挖和支