隧道围岩开挖破坏的数值模拟研究

隧道围岩开挖破坏的数值模拟研究

王少一

[摘

要]

杨伟邓发扬

221116)

(中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州

针对北京新街口人防设施改造隧道通过数值模拟模型,分析了隧道围岩开挖条件下的破坏机理,对隧道开挖后岩土体竖直方向、

水平方向的应力、应变分布,采用有限元法进行分析。[关键词]

隧道开挖;数值模拟;有限元

隧道是现在建设中常见的一种地下建筑物,其施工过程和方法多种多样。日前我们常采用的矿山法中大致有全断面法、台阶法和分步开挖法三大类,在工程实践中,隧洞开挖与支护是一个典型的土与结构相互作用问题,开挖与支护参数的确定取决于隧洞的儿何尺寸和形状、受力状况、衬砌的刚度、建造隧洞所使用的材料、围岩特点、开挖顺序、围岩蠕变效应。由于材料和几何上的非线性,隧洞分析的难度将会增大,为此采用数值模拟分析。

1工程概况

此人防设施位于西城区新街口外大街与新建北环水系转河段交汇处。北京地区位于永定河冲、洪积扇的脊背地带,属于第四纪冲洪积层,表层回填土以下为砂类土、黏性土、圆砾。地层松散,自稳能力差。根据这一特点,确定施工指导原则为:先注浆,后开挖;注浆一段,开挖一段,封闭一段。把这一原则具体化,就是“管超前,严注浆,强支护,快封闭,勤测量”。场地地质地层资料如表1所示。

人防断面为厚平底直墙马蹄拱形复合衬砌结构。净空尺寸为

3000×2800,采用复合衬砌结构。二次衬砌为内设结构钢筋模注300mm厚C30抗渗砼,在连接处设置变形缝。暗挖段人防通道施工

长度为222.53m,施工竖井深度9.8m,最大覆土厚度6m左右。

表1场地地质地层资料

地层平均厚度平均重度承载力标准代号

地层名称(m)

(KN/m3)

值(KPa)

①、①1杂填、素填土2.718.7②粉质粘土3.519.8200②1砂质粉土1.521170③粉质粘土1.820200④中砂4.521380④1粉砂1.522334⑤卵石

2.1

18.7

550

2

数值模拟计算模型的建立

2.1计算条件及计算范围

采取二维Y-Z平面应变模型,沿隧道宽度方向即水平方向为Y轴,

高度方向即竖直方向为Z轴,设计隧道为浅埋隧道,故平截面的上表面取为地平面,上覆土层为6米,正洞施工断面为直墙拱顶,初支净空尺寸宽×高为3700×3400(mm),下表面距离隧底为6米,约两倍隧道高度,平截面的左右两侧的宽度也取6米,约两倍隧道宽度。

2.2边界条件

模型两侧为限定水平移动的边界条件,即沿Y方向的位移μ被约束,在截面的下表面沿Z方向的位移ν被约束,在侧面与下表面的交点沿Y和Z方向的位移μ、ν均被约束。

2.3单元划分

由于开挖而引起的扰动只约相当于隧道半径3倍的范围内,因此,将计算的平截面在沿隧道宽度及高度的每个方向上均截取2倍隧道宽度或高度,则基本上可以达到分析岩体扰动区的目的。模型采用四边形平面单元,由于隧道孔洞周围的岩体将产生较大的应力及应变,所以在开

挖面周围还分布有三角形平面单元。计算模型网格划分图如图1所示。

图1计算模型网格划分图

3计算结果分析

3.1隧道围岩的应力及变形分布

由于岩体被开挖后,岩体内会沿开挖面产生应力重分布如图2所示,即产生瞬时应力,若应力重分布后岩体中的内应力小于岩体强度,则岩体将参与共同受力,而在当内应力大于岩体强度时,则会产生较大的塑性应变并失去原有的刚度,从而不能参与共同受力,只可视为外部荷载。

图2隧道开挖后岩土体的应力重分布图

岩体是否参与受力则取决于岩体在产生应力重分布以后的应力状态,岩体的应力状态可通过分析孔洞围岩的应力及应变分布获得。

3.2数值模拟结果分析

通过对隧道开挖后进行有限元数值分析,岩土体在竖直方向的应力分布情况由上至下依次为拉应力区、压应力区和拉应力区。岩土体的最大主应力σ1以受压为正,受拉为负,单位为MPa。由图2可看出,应力σ在开挖面上集中于拱顶处与开挖面两侧起拱线处。设隧道的开挖宽度为b,则σ1在沿开挖周边约b/4的范围内所出现的应力变化较大,即在这个范围内,岩体通常会产生塑性变形及塑性破坏。因此,除常规的支护措施以外,还要及时进行背后注浆,以填充隧道顶部结构与土层之间的空隙,改善土层传力条件及控制地表下沉,减少渗漏。

4结论

可以得出对于该隧道来说的以下两点关系:

1)在距开挖面约为b/4的范围内,开挖引起的扰动较严重,应力

重分布的结果,可能会引起这个区域内的岩体发生破坏,从这个意义上讲,该隧道开挖采用的支护结构措施,如注浆加固,锚杆加固区的范围需大于或等于b/4,即不小于0.9m。

2)确定作用在隧道上的外荷载的大小时,考虑应力重分布的作用

的计算模型(如太沙基模型)比较合适。

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