开挖软岩隧道的支护结构变形模拟分析论文.docx

开挖软岩隧道的支护结构变形模拟分析论文开挖软岩隧道的支护结构变形模拟分析论文摘要：针对滇中引水工程中磨盘山隧道的深埋软岩段，利用ANSYS建立三维数值模型，通过FLAC3D进行计算，研究了深埋软岩隧道开挖及支护后围岩的变形和破坏特征。结果表明，围岩强度和隧道埋深是影响隧道变形破坏的重要因素。隧道开挖后，应力重分布，隧道前段围岩强度较小，变形总位移、塑性区范围大于后段，在拱腰两侧对称形成两个应力集中区。隧道支护后，有效限制了隧道变形的继续发展，各部位总位移值减小，塑性区范围也得到抑制，拱腰两侧应力集中区向洞壁靠拢，应力分布也变得均匀。关键词：深埋软岩隧道；变形；FLAC3D;滇中引水工程。1概况。滇中引水工程是云南省实施兴滇战略的重点骨干水源工程，工程受水区包括丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪、红河6州市的35个县、市、区，线路总长约661.07km,其中穿越隧道63座，累计长度607.22km,占总长度的91.85%.引水线路穿越多个地貌单元，可能会遇到半成岩第三系内隧道围岩稳定、红层泥岩及夹泥岩的不良地层、隧道涌水突泥和岩溶等诸多工程地质问题。磨盘山隧道就具有“滇中红层”软岩分布广泛、埋深较大的典型特点。磨盘山隧道长10.91km,主要穿越地层岩性以泥岩、粉砂质泥岩、页岩、粉砂岩为主，部分地段有石英砂岩、凝灰岩。依据《水利水电工程地质勘察规范》[1]并结合实际工程地质条件判断，磨盘山隧道段Ⅲ类围岩占11%,Ⅳ类围岩占36%,Ⅴ类围岩占53%,围岩稳定性极差，开挖后易发生围岩大变形[2,3].研究表明[4],三维数值模拟计算能在隧道开挖前准确计算得到隧道开挖位移变化和应力分布情况。为此，本文针对磨盘山隧道典型区段为例，利用ANSYS建立三维数值模型，通过FLAC3D进行开挖后围岩变形数值模拟和前期支护效果模拟，研究其具体变形情况，以期为后期施工提供参考。2软岩隧道开挖与支护模拟方法。2.1模型建立。磨盘山隧道里程DL2+984.24-DL3+986.74段长1002.5m,前约110m处为三叠系上统罗家大山组三段（T3l3），岩性为粉砂质页岩夹煤层，后段为三叠系上统罗家大山组二段（T3l2），岩性为泥岩，粉砂质泥岩、砂岩，两套地层均为Ⅴ类围岩。隧道最大埋深处达354m,最浅处为229m（图1）。运用ANSYS建立隧道数值模型和划分网格，围岩采用八节点六面体实体单元模拟，取隧道轴线方向为x轴正方向，长1002.5m;取垂直于洞轴线方向为y方向，y方向范围为洞轴线两侧各500m;z方向垂直向上，范围取高程1900m至实际地表。得到隧道施工前数值计算模型及监测点布置图，见图2.整个模型总共划分344512个空间单元和355385个节点。2.2开挖与支护模拟方法。由ANSYS导入FLAC3D中进行有限差分计算，因研究区构造条件不复杂，故计算时仅考虑自重应力场，边界条件为：底部和四周为法向位移约束，表面为自由边界，选用Mohr-Coulomb屈服准则，建立弹塑性模型。模型建立后，初期支护采用结构单元进行模拟，选取线弹性模型。引水隧洞的开挖过程采用空单元（Null）来模拟。隧洞支护采用Ⅴ类围岩支护参数（图3（a）），挂网喷15cm混凝土、挂网钢筋6.5、网孔尺寸200mm×200mm;系统锚杆1.5m×1.0m、25、L=6m;钢支撑Ⅰ20型@50cm;纵向连接筋25钢筋@100cm;底板混凝土厚20cm;超前小导管L=4.5m、42@30cm.利用cable单元模拟系统锚杆，shell单元模拟底板混凝土、混凝土喷层及钢拱架的综合作用，其等效弹性模量通过等刚度换算，即：EI=E1I1+E2I2（1）。式中，E、E1、E2分别为shell单元、混凝土喷层（底板混凝土）、钢拱架的弹性模量；I、I1、I2分别为单位长度shell单元、混凝土喷层（底板混凝土）、钢拱架的截面惯性矩，shell单元厚度取混凝土喷层（底板混凝土）的厚度，从而计算得到I.连接筋、钢筋网和超前小导管所做的贡献作为安全储备，计算时不予考虑[5,6].支护结构单元分布见图3（b）。2.3计算参数的选取。岩土体的物理力学参数是在参考岩石力学试验结果的基础上，类比同区域其他地层软岩的力学参数，最后结合《公路隧道设计规范》[7]来确定，岩体力学参数见表1,支护材料力学参数见表2.3计算结果与分析。3.1开挖与支护后总位移变化。3.1.1开挖后总位移变化。图4为开挖后隧洞轴线方向总位移图。由图4可看出，洞壁附近变形量最大，在远离隧洞的过程中，围岩总位移值随之减小，隧道前段变形量也明显大于后段，这主要是由地层岩性和隧道埋深造成的，隧道前段岩性为粉砂质页岩夹煤层，后段为泥岩、粉砂质泥岩、砂岩，前段围岩强度明显小于后段，且后段埋深也小于前段。因而位移最大部位则出现在埋深最大且围岩强度较小的部位