双线铁路隧道开挖方式数值模拟分析.pdf

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1、隧道与地下工程器Tunnel&UndergroundEngineering双线铁路隧道开挖方式数值模拟分析邹立刚(北京交通大学，北京100044)摘要：以双线铁路V级围岩隧道为研究对象，利用弹塑性有限元程序ANSYS建立数值模型。以莫尔一库伦强度准则为屈服条件，分别对台阶法和中隔壁法开挖支护进行数值模拟，得到施工过程中围岩及支护结构的位移、应力分布的变化规律。计算结果可为隧道施‘T提供参考依据，对理论研究和工程实践具有一定的指导意义和实用价值。关键词：双线铁路隧道；开挖支护；台阶法；中隔壁法；数值模拟中图分类号：U456．31文献标志码：B文章编号：1009—7767(2011)02-0099

2、--04NumericalSimulationAnalysisofExcavationModesforDoubleLineRailwayTunnelZouLigang地下结构中的围岩稳定问题是隧洞岩体力学的中心课题之一。从力学观点看，围岩丧失稳定就是由于其应力达到或超过岩体强度，最后形成了一个连续贯通的塑性区和滑裂面．导致这部分岩体产生很大的位移。因此，隧洞围岩稳定性的评价实质上就是对岩体应力和变形的分析【11。电子计算机的广泛应用与有限单元法的迅速发展。为合理研究隧洞围岩稳定问题提供了可能性。与传统方法相比，有限元数值模拟具有经济、高效的优点，可以通过定量计算开挖过程中围岩及支护的应力分布情

3、况及变形趋势，揭示其变形破坏特征。为了研究开挖支护机理及围岩与支护结构的相互关系，克服支护设计与施工过程中的盲目性与不合理性，下面针对某围岩情况。对隧道施工过程进行有限元动态仿真模拟分析。定量分析支护结构的变形和应力特征。从而进行合理的设计，为隧道设计施工提供参考依据。1数值分析模型计算采用弹塑性平面应变模型。隧道围岩材料按均质弹性体考虑。采用Druck—Prager屈服准则，当材料进入塑性状态后，其应力应变关系使用塑性理论中的增量法求解；边界条件均采用位移边界条件，上边界为地面。两侧及底边均受法向约束，计算时仅考虑自重应力场【21；隧道围岩初始力学参数按TB10003—2005《铁路隧道设计

4、规范》中V级围岩的参数选取，见表1。表1围岩和支护结构的物理力学参数2台阶法开挖支护的动态数值模拟2．1开挖施工步骤主要施工步骤如下13】：1)开挖上半断面；2)拱部及上部边墙设置锚杆、喷射混凝土进行初期支护；3)开挖下半断面：4)下部边墙喷射混凝土进行初期支护。2．2应力场及位移场分析上半断面开挖支护后，拱脚处出现围岩应力集中，最大主应力值可达1．4MPa，在拱顶及开挖底边，应力释放较多；下半断面开挖支护后，整个隧道周围应力分布明显改善，上半断面拱脚处应力集中现象消失。边墙处最大主应力值减至1．OMPa。整个区域处于受压状态。开挖后围岩朝洞内方向移动。整个开挖过程中，水平方向的位移比较小，最

5、大值出现在上半断面开挖拱脚附近，测量值未超过0．64mm。上半断面开挖支护后，垂直方向的位移在拱顶和底边比较明显。拱顶沉2011卑$2期(3一)$29拳，簪荭投木一cr99嘶规"勉M曝O弱筋笛笛O2犸m始土．凝撵混支岩射杆时围喷锚临器隧谴与地下工程Unne}＆Under口r0【jnd[r}0-]e⋯I口降衄夫竹约为2】mn、，底姐⋯L隆起约27帆rr断向扑挖￡扩-后．垂直打目的f，侈杠洪爿；I．^变化不大，拱胍降起撮大情～3】mm2．3锚杆和喷射混凝土支护受力分析支护结构1-捧掣c构厦苘城均为zf称分布上、F斯商肝挖腑，际{!}脚fq柑脯n华中处的馏¨外，大部分铺朴量札最大批鹿JJ⋯现n拱顶处

6、达2l0MPa：喷射跳凝t支”幸酃受H最大山力Jm，L千{f}脚附蚯．轴力为790kN弯矩斯155kNm。下半断面开挖后，铺杆轴几亘新分布．帝揶暖受托山．鼎大批应力m觋于拱脚处约～296MPa，排顶处锚”艰叠的扎应力F降：喷射混甜r后支护轴山基奉没打变化最大值为719kN1I『弯矩坐化较大，最^fl_【仍然⋯现n拱脚附证为32IkN叭增加r倍多．3中隔壁法fCID法)开挖支护的动态数值模拟3．1开挖施工步骤t璺艟r步骤如下⋯：I)先行导坑上部丌挖．2)拱部、l’边墙喷射泥凝t，一l-啭立格栅锕架井喷射鞋凝P：3)先行蚌坑下部开控．4)下边墙喷射泥凝I：rl-‘《Z格栅锕槊蚌喷射混凝十：5)肝行

7、导坑上部丌挖：6)拱徘、上边墙畦射混凝±：7)昕行廿坑下部扦挖8)下边墙喷射混凝L．9)拆障j，擎3．2应力场及位移场分析由r求川m埘称J

8、挖，应力场为矩对称分布先{r导坑上部开挖直护后，在3个转捕址卅现f{；】岩m力集rl，，蛀大土应力f^可逃II】Mn：先ir导坑F部肝挖土护后．_iⅡ墙啊岩脯力分如较均匀．最大丰成力值～090MPa～后行导坑r部歼挖支护后．H有青F拱脚处Ⅲ现丁Ji巾集中最大主