软弱围岩浅埋隧道稳定性有限元分析

摘要：本文利用数值模拟分析浅埋隧道的施工工艺及受力特性，进而为隧道开挖与支护施工过程提供依据。

关键词：数值模拟 浅埋隧道 稳定性

Abstract:This paper using numerical simulation analysis of shallow buried tunnel construction technology and mechanical characteristics, which provide the basis for tunnel construction process of excavation and supporting.

Key words: numerical simulation of shallow buried tunnel stability

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：

0引言[]

近些年运用数值模拟来研究软弱围岩的方法发展迅速： Choi，sung 运用FLAC．3D分析了软弱围岩隧道的稳定性并优化的支护结构。Jeon，Seokwon比较具有软弱夹层隧道的模型实验和数值模拟，分析对隧道稳定性的影响。用数值模拟现场复杂现象，分析其受力特点，用来补充施工现场观测点布置不足、模拟实际工程中不良地质条件下的状况，对浅埋隧道会发生的状况进行模拟，保障了隧道施工的顺利进行。下面以某隧道中的一个特定的断面，来分析浅埋软岩隧道在台阶法的不同工序下隧道围岩的变形及受力情况。

1.隧道概况

隧道为一座上、下分离的四车道高速公路长隧道。隧道最大埋深约200m。隧道起讫桩号左线ZK7+905～ZK9+590,全长1650.6m，在ZK9+3760482(=ZK9+410.908)处设置短链；右线K7+905～K9+555，全长1616.2m，在K9+275.188(=K9+309.023)处设置短链33.835m。隧道左右线平面测设线间距，进口约21m，出口约44m，洞身逐渐过渡到47m。

隧道左、右线进口均位于直线上；洞身左、右线均位于R=4500的圆曲线上；出口左、右线分别位于R=2600和R=2500的圆曲线上。左线纵坡为1.75%～0.78%的单向坡，右线纵坡为1.75%～0.82%的单向坡

（沿路线前进方向上坡为正）。

图1.1

2.计划工程划分

图2.1工况划分

施工步1：左上侧开挖 施工步2：左上侧施作喷射混凝土、锚杆及喷混硬化

施工步3：左下侧开挖 施工步4：左下侧施作喷射混凝土、锚杆及喷混硬化

施工步5右侧开挖 施工步6：右侧施作喷射混凝土、锚杆及喷混硬化

3有限元模型

根据工况条件可以建立有限元模型如图3.1所示；得到喷射混凝土、锚杆及喷混硬化图如图3.2所示。

图3.1模型全局图

图3.2喷射混凝土、锚杆及喷混硬化图

4二维计算结果分析

4.1位移分析

图4.1-4.9为两步法施工后两洞口的竖向位移图。

图4.1左上侧开挖

图4.2左上侧锚杆、喷混

图4.3左上侧喷混硬化

图4.4左下侧开挖

图4.5左下侧锚杆、喷混

图4.6左下侧喷混硬化

图4.7右侧开挖

图4.8右侧锚杆、喷混

图4.9右侧喷混硬化

从上面9张图可见：

(1) 隧道的下层主要发生在开挖部位或者附近。拱顶的下层为主要部分，隧道下部则会发生一定程度的鼓起，这种现象表明模拟拱顶在荷载卸去的时候会发生下沉，底板荷载卸去时回弹的特性。

(2) 当分步法施工完成后，不同地层的下降等值线大致对称。并且，最大沉降都发生在隧道中心线处。

(3) 各岩层岩体的竖向位移与其距开挖岩体距离成反比，可见开挖部位为受力变化最大的部位。

5结论

采用数值模拟，结合竖向位移建立二维平面模拟了隧道施工受力分析，台阶法施工时，尽管对围岩的扰动较少，但是开挖断面比较大，围岩所受约束快速得到释放，所以围岩变形很快，不利于工程中的控制。开挖左上侧部分时，跨度大，在左上侧下端应力的集中会很大，对于隧道外部荷载的承受非常不利，因此，要求施工时要使用强度较高的支护，并且支护要及时，各工况的的连续性要保持好，要注意加固处理左上侧和左下侧的联结处。

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