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1、总第229期交通科技SerialNo.2292008年第4期TransportationScience&TechnologyNo.4Aug.2008隧道埋深对隧道结构的影响1121111李之达黄方徐金龙王爽何巍胡荣杨广安(1武汉理工大学交通学院武汉430063;2襄樊市公路管理处襄樊441000)摘要以九岭隧道为背景,利用数值方法建立了在IV级围岩下不同埋深的隧道仿真分析模型,研究了各埋深中拱顶位移、锚杆最大内力、一期支护最大弯矩、一期支护最大轴力等位移、内力参数随埋深改变的变化规律。关键词隧道埋深一
2、期支护位移内力偏量的第二不变量;、k为D-P准则材料常数,1工程概况sin3ccos=,k=22九岭隧道采用小间距结构形式的4车道单33+sin3+sin向行驶的高速公路隧道穿越山体,隧道全长其中:为内摩擦角;c为粘聚力。526.125m。隧道东端进口路面标高240.680m,2.3施工工序西端出口路面标高254.360m。隧道衬砌内轮廓考虑该IV级围岩的地质情况,施工采取上采用R1=570cm,R2=R3=820cm3心圆曲墙下台阶法,共分为6个工序:左洞上台阶开挖,形式,衬砌形式根据隧道埋深及荷载不同,共采用进行
3、上台阶一期支护,施做临时仰拱及上台阶锚明洞段、III级围岩、IV级围岩、V级围岩4种不杆;左洞下台阶开挖,进行下台阶一期支护,去同的复合式衬砌支护形式,二衬采用整体全环向掉临时仰拱,施做下台阶锚杆;施做闭合仰拱模筑混凝土。隧道建筑界限为:宽高=10.75及二次衬砌;右洞上台阶开挖,进行上台阶一m5.0m,隧道最大埋深达76m,最大开挖宽度期支护,施做临时仰拱及上台阶锚杆;右洞下为12.66m。台阶开挖,进行下台阶一期支护,去掉临时仰拱,施做下台阶锚杆;施做闭合仰拱及二次衬砌。2隧道施工的数值仿真模拟2.4双层衬砌力学模型的建立2.1
4、基本假设围岩采用二维实体单元,因为一期支护混凝(1)计算模型仅发生弹塑性应变,围岩进入土厚度只有23cm,而二次衬砌混凝土厚度有40塑性状态后采用Drucker-Prager屈服准则,支护cm,所以一期支护可采用二维梁单元,二次衬砌[1-5]体系在线弹性范围内变化。则采用二维实体单元,一期支护与二次衬砌共节(2)岩体变形是各向同性的。点传力,锚杆则利用只承受轴向力作用的二维杆(3)隧道受力、变形为平面应变问题。单元来模拟。建好的隧道断面如图1所示。(4)围岩的初始应力场由自重应力构成,不考虑构造应力的影响。2.2本构模型岩
5、石单元采用弹塑性平面应变模型,岩土材料的非线性按DP材料处理。材料进入塑性状态的准则采用Drucker-Prager屈服准则,其表达式[6-7]为:F=I1+J2-k=0式中:I1、J2分别为应力张量的第一不变量、应力图1隧道断面收稿日期:2008-03-1630李之达等:隧道埋深对隧道结构的影响2008年第4期从表2可见,随着埋置深度的增加,锚杆最大3不同埋深情况下位移及内力图内力随之增加,且呈线性变化趋势。本文讨论隧道埋置深度为15、20、25、30、35、表3给出了初期支护最大弯矩随埋置深度的4
6、0m这6种情况。图2显示了隧道处在40m埋变化情况。置深度下的有限元模型及边界条件;图3给出了表3支护最大弯矩随埋置深度的变化情况隧道处在40m埋置深度下的支护弯矩云图;图4深度/m152025303540和图5给出了隧道处在40m埋置深度下,锚杆的最大弯矩664988249797638112895128124143544/(Nm)内力云图和Y向位移云图。从表3可见,支护最大弯矩随埋置深度的增加而相应增加。表4给出了支护最大轴力随埋置深度的变化情况。表4支护最大轴力随埋置深度的变化情况图2埋深40m的隧道深度/m15202530354
7、0最大轴445149544853645970745372845092942051力/N从表4可见,随着埋置深度的增加,支护最大轴力随之增加,且呈线性变化趋势。图3埋深40m时支护弯矩云图综上所述,各项研究变量与埋置深度之间基本为线性关系。4结语本文以九岭隧道为背景,利用数值方法,探讨图4埋深40m时锚杆内力云图了埋深对隧道的影响,得到如下结论:隧道拱顶位移、一期支护最大轴力、一期支护最大弯矩、锚杆最大内力与埋置深度之间基本为线性关系。这一结论对选线和隧道设计有一定指导作用。参考文献[1]蔡佳骏,李之达,易辉,等.ANSYSE二维
8、弹塑性分析在连拱隧道围岩稳定性评价中的应用[J].水利图5埋深40m时的Y向位移云图与建筑工程学报,200
