特大断面隧道施工数值模拟分析.docx

特大断面隧道施工数值模拟分析摘要：本文基于Midas/GTS有限元程序分析特大断面隧道的施工力学响应问题发现双侧壁导坑法运用于特大断面隧道的施工是可行的并且能够有效的控制隧道拱顶的沉降量；核心岩柱在特大断面隧道施工安全中起着举足轻重的作用关注特大断面隧道施工安全问题必须关注核心岩柱的优化。关键词：特大断面隧道、核心岩柱、有限元1前言随着我国经济的快速发展地下工程的建设也蓬勃发展起来大断面隧道数量也随之增加。目前国内外对断面面积在100m2以上的特大断面隧道研究甚少为解决四车道大断面隧道建设中的难题有必要研究大断面隧道在施工过程中的力学问题通过理论计算很难得到准确的结果引入数值模拟对于研究特大断面隧道施工过程中的力学响应很直观有一定的研究意义。2特大断面隧道的施工方法2.1台阶法台阶法一般是指正台阶两步开挖法由于此处涉及的是超大断面扁平隧道为保证施工的安全将台阶法视为正台阶三步开挖法此方法多适用于Ⅳ、Ⅴ较软而且节理发育的围岩。根据台阶长度的不同可以划分为长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种。在施工中究竟采用哪一种台阶法应根据以下两个条件来决定：1对初期支护形成闭合断面的时间要求围岩越差要求闭合的时间就越短则此时台阶必须缩短。2施工机械的效率高则可以缩短支护闭合时间故台阶可以适当加长。2.2分部开挖法1留核心土环形开挖法留核心土环形开挖法适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩地段。这种方法将断面分成环形拱部、上部核心土和下部台阶三个部分。其主要优点是上部留核心土支挡着开挖面而且能迅速及时地施作拱部初期支护所以开挖工作面稳定性好核心土和下部开挖都是在拱部初期支护的保护下进行的施工安全性能好。一般环形开挖进尺为0.5～1.0m不易过长。2双侧壁导坑法双侧壁导坑法是两侧导坑超前然后再进行中部的上半部分及下半部分施工能有效确保掌子面稳定和控制隧道周边围岩松弛范围。施工中每个分块都是在开挖后立即各自封闭的在施工期间隧道断面变形的发展会很小。因此可以有效控制下沉量和下沉速率增加掌子面的稳定。该方法开挖断面较多相应对围岩的扰动次数增加而且相对延长了初期支护断面闭合的时间同时增加了临时支护、增加了工序相对提高了工程造价使工程进度较慢。该方法对于断面大地表沉陷要求严格围岩条件特别差的浅埋隧道是一种比较安全的施工方法。3数值模拟3.1模型建立为了研究方便本文主要研究埋深为20m半径为6米的圆形隧道采用3台阶双侧壁导坑法的施工力学响应问题。模型采用平面应变问题左右尺寸60m上下尺寸52m围岩左右边界取水平约束下部边界水平竖直同时约束上部边界为自由面[1-2]。如下图1所示。图1模型详图（模型共划分7237个单元）3.2计算参数3.3计算分析数值分析主要按如下步骤进行：1、上部台阶左侧开挖并支护2、上部台阶右侧开挖并进行支护3、上部台阶核心土开挖并进行支护4、中部台阶左侧开挖并支护5、中部台阶右侧开挖并进行支护6、中部台阶核心土开挖7、下部台阶左侧开挖并支护8、下部台阶右侧开挖并进行支护9、下部台阶核心土开挖并进行支护。具体如下图所示。图2第2步完成后的位移云图图3第9步完成后的位移云图通过提去计算结果我们可以得到施工过程中拱顶沉降量的变化情况如下图：图4拱顶沉降变化图（最大沉降量3.33mm）注：在第5阶段到第6阶段发生沉降量突变的原因是由于上台阶核心岩柱被挖掉。4结论通过有限元数值分析我们可以得到如下结论：1、特大断面隧道施工采用3台阶双侧壁导坑法是可行能够有效的控制施工过程中隧道拱顶的沉降量对于防止隧道发生塌方事故有着积极的作用。2、隧道施工过程中核心岩柱对隧道施工阶段的稳定性起着举足轻重的作用研究特大断面隧道施工力学响应有必要研究核心岩柱的优化问题。参考文献：[1]宿钟明.红土地大跨度轻轨车站开挖过程力学分析及核心岩柱优化[D].重庆：重庆交通大学2011[2]冯锡勇李欢.浅埋隧道两种工法的施工力学研究[J].四川水泥20156（226）：106-106作者简介：孙伟硕士研究生主要研究隧道及地下工程