铁路隧道洞身下穿公路隧道施工的数值模拟.docx

铁路隧道洞身下穿公路隧道施工的数值模拟姜増国，杨培伟，刘运武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉(430070)E-mail：peiwei_摘要：随着地下空间的不断利用,出现了重叠隧道，这就需要了解重叠隧道中后建隧道施工对地表沉降和既有隧道的影响程度。本文应用有限元分析软件ANSYS 对温福铁路琯头岭隧道下穿同三高速公路琯头岭隧道左右线进行开挖中的力学过程模拟。计算表明琯头岭隧道所采用的施工方法是合理有效的。关键词：下穿隧道；数值模拟；施工方法1 引言随着地下空间的不断开发利用, 不可避免地出现两条隧道重叠以及交叉穿越等较为复杂的施工情况。当两个隧道的距离越来越小,重叠隧道近接施工的影响越来越明显。双孔重叠布局的隧道主要是受城市建筑物的限制和地下空间综合开发利用的需要,在施工中要发生相互影响,产生上孔隧道结构整体下沉、上孔隧道底部开裂、隧道间土体不易控制等现象。这类隧道施工时,既有的隧道要对未衬砌的后建隧道产生影响,地层刚度不再对称;后建隧道的修建是在发生变化的地层中进行的,开挖时要再次发生变化,其变形规律显然不同于未发生扰动的地层。后开挖的隧道又要对己经衬砌的既有隧道发生作用。重叠隧道变形规律不同于单孔隧道,也不同于平行双孔隧道12。本文应用有限元分析软件ANYS34的三维弹塑性分析,对温福铁路琯头岭隧道下穿同三高速公路琯头岭隧道左右线开挖施工中的力学过程进行非线性分析计算,揭示这类隧道开挖之后发生的现象,对类似的工程具有参考意义。2 工程概况2.1 设计情况及地质情况琯头岭隧道在DK280+950281+100 段下穿同三高速公路琯头岭隧道左右线，此段围岩级别为级。隧道开挖轮廓线拱顶距公路隧道基础底面约3.2m, 平面交角约36。根据铁路隧道设计规范（TB100032005）5判断此段属超浅埋情况。该段地质情况为剥蚀低山。隧道围岩为J3nb 浅灰色流纹质晶屑凝灰岩，流纹质晶屑凝灰熔岩，弱风化，岩体完整，岩体质地坚硬。岩石呈相对陡峭地势，以含晶屑为基本特征，晶屑18mm，主要为石英、长石，呈凝灰结构，块状结构及碎斑结构，层厚约4121072m。物探弹性波速度V=47845841m/s。基岩裂隙水不发育。2.2 总体施工方案2.2.1 预支护及初支根据前期数值模拟计算结果，在DK281+095281+045、DK281+005280+955 段施作单环100m 的89mm 长管棚预支护，共计10 环。初支钢架采用I20a 工字钢架，危险地段间距0.8m，其余地段间距1.2m，施作时紧跟第5 部开挖掌子面，在钢架各单元连接处采用锁脚钢管，加强拱架间的纵向连接钢筋，及时施作钢架之间连接钢筋并连接牢固。系统锚杆拱部120范围内采用?2.5m 长带排气装置的25 中空注浆锚杆；边墙采用3.0m 长22 螺纹钢药卷锚杆；喷射混凝土采用30cm 厚添加1.2kg/m3 改性聚酯纤维的C25 混凝土。-2-中国科技论文在线2.2.2 二次衬砌开挖完毕后及时施作二次衬砌，特制一套4.5m 长小模板拱架为该段进行二衬，二衬距开挖掌子面保持在37.5m 以间。衬砌混凝土加入早强剂，及时提高混凝土早期强度，掌子面爆破时在二衬靠掌子面端头盖上草垫。2.2.3 施工工序如图所示，整个隧道断面分成6 个部分。500锁脚钢管（L=3.5m）边墙32预应力锚杆，2 4喷5cm厚C20混凝土5613喷5cm厚C20混凝土图1 开挖工序图(一) 弱爆破开挖、部：在、部开挖轮廓线侧施作永久初期支护，核心土侧喷射5cm 厚混凝土作为临时支护。（二）利用、部开挖导洞作为爆破临空面布置炮眼对、部进行爆破开挖；施作、部周边永久初期支护，核心土侧喷射5cm 厚混凝土作为临时支护。（三）利用、部开挖导洞作为爆破临空面，布置炮眼对部依次进行爆破开挖；施作拱部周边的初期支护，即初喷28cm 厚混凝土，架立I20a 钢架，并设锁脚锚杆，钻设系统锚杆后，复喷混凝土至设计厚度。（四）开挖部核心土；灌注仰拱及隧底填充（仰拱及隧底填充应分次操作）；利用衬砌模板台车浇筑二衬混凝土。3 隧道开挖过程的参数选取与模型建立3.1 软件介绍目前,大多数结构分析都是通过现成的有限元软件来完成的。ANSYS 是国际著名的大型通用可视化有限元软件,能模拟结构、热、流体、电、磁、声学,以及多种物理场间的耦合作用。利用ANSYS 软件的非线性分析功能模拟地下洞室开挖,需要涉及的非线性功能面很广,如单元死活、丰富的非线性材料库等。本文根据ANSYS 软件的特点,结合隧道力学的有关原理,旨在提出用ANSYS 软件进行开挖非线性模拟的具有代表性的一般作法5。3.2 参数以及数学模型的选取-3-中国科技论文在线开挖区间为III 类围岩，根据岩石分级的力学特征：表一：岩石分级的力学特征围岩级别重度（KN/m3）变形模量E（GPa）泊松比内摩擦角 （）粘聚力C（MPa）计算摩擦角 （）II 2527 2033 0.20.25 5060 1.52.1 7078III 2325 620 0.250.3 3950 0.71.5 6070参考上表：选取岩石的计算参数为：密度 =2500（Kg/m3 ）； 变形模量E= E=1.5 104MPa泊松比 =0.3 ； 内摩擦角 =50粘聚力C=1.5MPa2.支护参数所选取的二次衬砌支护材料：为C25，根据铁路隧道设计规范，取材料的弹性模量E=2.95 104MPa。密度 =2400（Kg/m3 ）； 初期支护包括锚喷支护、钢架支护、以及超前导管。3.外部荷载荷载包括围岩自重、既有隧道中的车辆荷载（50 吨货车）。3.3 开挖工序3.3.1 整个开挖工序对施工进入危险地段进行模拟（距离两隧道轴心交点20 米处），模拟过程如下：开挖至距离两隧道轴线交点20 m 处时，每步开挖1 米 ;顶部围岩超前支护区域超前开挖面开挖、部分导洞4 米；开挖、部分导洞1 米，并施加初期支护；开挖、部分导洞1 米，并施加初期支护；、部分开挖面落后于、部分开挖面1 米；顶部部分开挖1 米，并施加初期支护；部开挖面落后于、部开挖面1 米。核心土部分开挖1 米；部分开挖面落后于部分开挖面1 米。8 9710 1 3 112456图2 分步开挖分区图-4-中国科技论文在线围岩二次衬砌施作。当部分开挖面距离二次衬砌施作的工作面大于4.5 米时，施作围岩二次衬砌4.5 米。3.3.2 计算流程计算初始地应力场；开挖至距离两隧道轴线交点20 m 处应力状态;开挖至距离两隧道轴线交点10 m 处应力状态;开挖至距离两隧道轴线正下方、应力状态;开挖至经过隧道轴线10m时，应力状态;按每步开挖1 米进行计算；采用ANSYY 软件对隧道开挖过程进行模拟。4 开挖模拟计算结果4.1 初始应力场计算结果对于隧道开挖以前，首先加载初始应力，了解围岩和既有隧道的初始变形。围岩的主应力 1， 2， 3 情况如图所示。图3 初始状态时围岩主应力 1 图4 初始状态时围岩主应力 2最大值：336355， 最小值：-513857 最大值：0， 最小值：-601333图5 初始状态时围岩主应力 3图5 初始状态时围岩主应力 3最大值：0， 最小值：-0.197e+74.2 开挖至距离两隧道轴线交点10 m 处时计算结果当开挖工作面至距离两隧道轴线交点10m 处时，计算得到既有隧道的应力情况如图所示。-5-中国科技论文在线图6 开挖至距离两隧道轴线交点10 m 处时 图7 开挖至距离两隧道轴线交点10 m 处时围岩主应力 1 围岩主应力 2最大值：366470， 最小值：-535878 最大值：7687， 最小值：-888092图8 开挖至距离两隧道轴线交点10 m 处时围岩主应力 3最大值：0， 最小值：-0.25e74.3 开挖至距离两隧道轴线交点处时计算结果当开挖工作面至距离两隧道轴线交点处时，计算得到既有隧道的应力情况如图所示。图9 开挖至距离两隧道轴线交点处时 图10 开挖至距离两隧道轴线交点处时围岩主应力 1 围岩主应力 2最大值：307263， 最小值：-59327 6 最大值：9517， 最小值：-944526-6-中国科技论文在线图11 开挖至距离两隧道轴线交点处时围岩主应力 3最大值：0.106e-3， 最小值：-0.255e74.4 开挖至经过隧道轴线交点10m 处时计算结果当开挖工作面经过隧道轴线交点10m 处时，计算得到既有隧道的应力情况如图所示。图12 开挖至经过隧道轴线交点10m 处时 图13 开挖至经过隧道轴线交点10m 处围岩主应力 1 时围岩主应力 2最大值：333613， 最小值：-696524 最大值 234352， 最小值：-0.122e7图14 开挖至经过隧道轴线交点10m 处时 图15 开挖至经过隧道轴线交点10m 处时，围岩主应力 3, 围岩Y 方向变形最大值：148.051， 最小值：-0.258e7 最大值：0, 最小值：-0.001765 开挖模拟计算结果分析通过对隧道开挖过程的数值模拟，得到开挖过程中隧道周围主应力的变化情况，如表2-7-中国科技论文在线所示：表2 开挖过程中隧道周围主应力的变化开挖位置 工作面位置（m）主应力初始状态 -20 -10 0 10 1 Max 3.36e5 3.57e5 3.66e5 3.07e5 3.34e5Min -5.14e5 -5.24e5 -5.36e5 -5.93e5 -6.97e5 2 Max 0， 746 7687 9517 2.34e5Min -6.01e5 -8.85e5 -8.88e5 -9.45e5 -1.22e6 3 Max 0 9.02E-6 0 0.11e-3 148.051Min -1.97e6 -2.42e+6 -2.5e6 -2.55e6 -2.58e6注：以开挖隧道和既有隧道轴线交点为0 点，开挖工作面未到达开挖隧道和既有隧道轴线交点时为负；开挖工作面经过开挖隧道和既有隧道轴线交点时为正。正值为受拉应力，负值为受到压应力。围岩应力：从主应力图以及各个方向地层的应力图可以看出,在隧道的开挖过程中,整个地层大部分都是受压的,只是在隧道附近一个很小的范围内出现拉应力。围岩最大拉应力为1.2MPa,最大压应力为10MPa,满足设计要求。同时从主应力图可以看出,拉应力区域都处在围岩范围加固区以内,而围岩加固的范围是由锚杆的长度决定的。因此,说明在本隧道的设计中,锚杆的长度是合理有效的,能够使围岩稳定。初期支护的内力：从衬砌结构的变形和内力图可以看出,最大拉应力、最大压应力、最大剪应力值都较小。隧道设计中采用C25 喷射混凝土,其抗拉强度为1.3MPa,弯曲抗压强度为13.5MPa,抗剪强度为2.5MPa,故本设计所选用的初期支护是合理有效的。6 结论与建议通过数值模拟,公路隧道沉降为2 mm,满足设计要求的公路隧道最大允许沉降为3mm。锚杆长度、初期支护参数的选择是合理有效的。隧道间土体在开挖过程中容易发生多次大幅度的扰动,如何维护土体的稳定性,使其符合近接施工的力学原理,是施工中的重点。以控制爆破为关注焦点,最大限度减少爆破对上下两隧道间的岩体扰动,充分利用岩体的自稳能力。确保分部开挖安全、合理,对计算出存在拉应力区的位置应重视锚喷、钢架支护,改善围岩受力情况。各项监控量测工作应紧密贯穿于施工全过程,并在交叉段处对高速公路隧道的结构下沉、结构变形进行严密监控,加强对公路隧道的沉降及质点震速监测。发现围岩地质状况发生较大变化，实际围岩应力状态会与计算结果有差异。为保障施工，可以根据实际情况对围岩参数进行调整，应该进行必要的补充计算。参考文献1 陈先国，高波重叠隧道的施工力学研究J岩土力学与工程学报，2003，22（4）：606-6102 王毅才隧道工程M.北京：人民交通出版社，20063 ANSYS 公司北京办事处ANSYS 结构分析手册M，20004 ANSYS 公司北京办事处ANSYS 非线性分析指南M，20005 TB100032005铁路隧道设计规范S北京：中华人民共和国铁道部，2005.04-8-中国科技论文在线The Numerical Simulation of Railway tunnel Below throughHighway Tunnel during the construction statusJiang Znegguo, Yang Peiwei, Liu YunSchool of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology,Wuhan, Hubei (430070)AbstractWith the continued use of underground space, appeared so