文章编号:1009 6825(2009)09 0312 02采用ABAQUS 的隧道稳定性分析收稿日期:2008 11 13作者简介:刘 学(1970 ),男,工程师,中铁十九局集团第四工程有限公司,辽宁辽阳 111000刘 学摘 要:结合某隧道的工程地质特点,采用ABA QU S 对隧道开挖过程进行了数值模拟,分析表明:采用双侧壁导坑法,由于开挖步之间的相互影响,围岩的应力和变形都比较大,因此支护应紧跟,得出了数值模拟成果与现场监测结果规律基本一致的结论。
关键词:ABA QU S,稳定性,数值模拟,双侧壁导坑法,超前支护中图分类号:U 451文献标识码:A随着我国大规模建设的展开,高速公路建设发展迅速。
为了避开各种病害,改善运营条件,在穿越山区时,高速公路也常采用隧道方案。
一般隧道施工工序多,难度大,地质、形状和受力条件复杂,一般很难得到理论解析解。
有限元法自20世纪50年代发展至今,已成为解决复杂岩土力学问题的有力工具,用来解决许多难以用解析法求解的力学问题。
大型有限元程序ABA QU S 完全可以模拟隧道动态开挖的全过程,并与目前已施工监测得到的数据进行分析对比,根据分析结果,提出相应的措施和建议。
1 工程概况该隧道穿过低山丘陵地貌区,隧道线路经过的最大高程约为407m,隧址地面标高51.28m ~407.00m,最大相对高差约355.72m 。
隧道设计为单洞双线,全长2.4km,围岩级别为 级~ 级。
其中 级段区域地质构造、断裂构造发育,施工过程中极易出现突水和洞室失稳现象,该区段确定为本隧道的施工难点。
本文通过大型有限元软件ABA QU S 对这一区段的开挖进行模拟,揭示该区段内围岩的变形机理,以优化支护参数,保证施工安全进行。
本段隧道为上下行分离的双向六车道高速公路隧道,建筑限界净宽14.5m,净高5m;建筑内轮廓宽15.18m,全高7.92m,围岩级别为 级。
2 ABAQUS 分析模型2.1 建立计算模型本文采用ABAQ U S 建立二维平面应变模型,见图1。
以模型的土体自重方向为y 方向,上表面为自然表面。
模型边界尺寸取5倍隧道直径,这里取长50m,高40m 的长方形平面。
模型左右边界为水平向约束,底边为双向约束。
本文计算中岩体采用M o hr Coulomb 弹塑性模型,初支和二衬采用弹性模型。
隧道断面开挖方法采用双侧壁导坑法,分三部(步)开挖:左右侧同时开挖导坑,而后挖拱部,最后挖除下部岩体。
初期支护在开挖相应断面后及时跟上,二次衬砌在相应主洞开挖成型后全断面施作。
2.2 选取计算参数根据现场岩体力学试验结果和围岩级别 标准,对毛毡岭隧道的开挖、支护进行数值分析时,采用最差工况下工程岩体材料参数,见表1。
表1 岩体材料力学参数材料密度 /kg m -3E /GPa 摩擦角 /( )膨胀角 /( )粘聚力c /MPa级围岩18001.20.33012.50.8对于支护结构,初期支护仅考虑喷射混凝土和锚杆支护。
喷混凝土采用湿喷工艺,混凝土强度等级为C20,设计厚度为20cm;二次衬砌采用钢筋混凝土材料,设计厚度为60cm,混凝土强度等级为C25。
锚杆的作用相当于形成一个环向加固区,简单的处理方法就是提高锚杆作用区的力学指标c(粘聚力), (摩擦角)值,依据工程经验,对于摩擦角 可提高10 ,粘聚力c 的提高值为30%左右。
支护材料参数见表2。
表2 支护材料力学参数材料密度 /kg m -3E /GPa 初喷混凝土2200210.2二衬混凝土230029.50.2锚杆78002000.33 结果分析3.1 围岩应力分析应力模拟结果指出,开挖后,开挖区周围即产生拉应力,随着开挖对围岩扰动的增加,拉应力范围逐渐扩大,拱部开挖完成后,出现的拉应力最大值为0.456M Pa,之后随着应力的释放,拉应力Research of the fatigue property of the steel bridge monolithic jointsLIU C haoAbstract:It po ints out t hat regarding the st eel br idge,the fatig ue failure of the joints i s the most main destruct ion form.I n this paper,takes t he mo nolithic joint of some bridge as a model,wit h the fatigue test analysis and the finite element computation,a weary performance analysi s is car ried on.T he r esults show that the monolithic joint has a sufficient anti fatigue.Key words:steel bridg e,the monolithic joint,fatigue test,finite element312 第35卷第9期2009年3月 山西建筑SHANXI ARCH IT ECTUREVol.35No.9M ar. 2009最值不断减小,如图2所示。
最后施作二衬后,洞顶最大应力为0.12M Pa,如图3所示,可见二衬对抑制拉应力的扩展也起到很好的作用。
综上所述,在施工中,为了控制开挖后拉应力的扩散,应及时施作初期支护,二衬可在围岩应力释放到一定程度施作,这样可减小二衬的受力。
3.2 围岩位移分析由各施工步骤相应位移场分布情况可以看出,每次开挖位移都有变化,位移基本呈扩大趋势,支护施作后位移场影响范围相应减小,而再次开挖位移场又会增大,全部开挖结束后,拱顶位移出现最大值,达到23.5mm,如图4所示。
拱顶位移变化较大,应加强支护。
3.3 支护分析下面以二衬为例来分析支护结构受力,从计算结果看,二衬受力和变形都较小,拱顶最大拉应力为13.5kPa,最大压应力出现在二衬底部,达到7.9kPa,如图5所示;二衬顶部最大位移15.3mm,底部最大位移11.8mm,见图6。
这主要是二衬施作时,坑道已趋于稳定,因此在施工中应注意二衬施作时机。
3.4 数值结果与现场监测结果对比根据毛毡岭隧道现场收敛、拱顶下沉、围岩压力等监控量测的结果,将数值计算的结果与之对比分析。
结果表明,监测断面拱顶得到的沉降量较数值模拟结果偏小,这主要是由于量测技术的限制,量测前产生的位移无法获取,而数值模拟为全部位移;围岩压力监测结果与数值模拟结果较为接近,由此可知,数值模拟结果与现场监测结果取得了较好的一致性。
4 结语1)在运用双侧壁导坑法开挖过程中应力变化较大,特别是不同开挖步之间的相互影响,因此,开挖中应尽可能减少对围岩的扰动,采取支护紧跟的施工方法。
2)由于围岩较软弱,为了获得准确的位移信息,在拱顶、拱角等位移可能变化大的地方,应多布置测点进行监测,随时观察其变化。
3)数值模拟仅仅是工程研究分析的一种手段,还需要与现场设计施工和监测紧密结合起来。
本文的计算结果与目前的现场监测数据有较好的一致性。
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