公路隧道位移的定量計(jì)算*

李 明 房 昕

(1:吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，長春 130118;2:南京工業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，南京 210009)

0 引言

在過去山區(qū)和丘陵地區(qū)公路工程中，多以盤山公路和山體切坡深挖等方式為主．該方式占用了大量的耕地，而且能耗較高，安全隱患多，對生態(tài)環(huán)境的破壞非常大．修建公路隧道既可以保護(hù)環(huán)境，縮短兩地路程，避免大坡道，節(jié)省交通用時(shí)，又避免了滑坡、落石和泥石流等自然災(zāi)害的隱患．公路隧道的施工以新奧法［1-2］為主，該方法是以噴射混凝土和錨桿二者的有機(jī)結(jié)合作為隧道施工主要的支護(hù)手段．公路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法有工程類比法和力學(xué)分析設(shè)計(jì)法．力學(xué)分析設(shè)計(jì)方法可以通過理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真分析兩種形式得到結(jié)論．隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和巖土介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系研究的進(jìn)步，相比于理論計(jì)算方法，借助有限元軟件可以減短設(shè)計(jì)周期，減少成本．本文借助有限元軟件Autodesk Simulation建立隧道與周圍巖體的二維模型，設(shè)定初始條件和邊界條件，進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)構(gòu)變形情況［3-4］，用于襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)算．

1 有限元軟件建模及線性分析

根據(jù)某高速公路隧道建立物理模型，該隧道設(shè)計(jì)時(shí)速為120km/h，建筑限界最小寬度為11．5m，建筑限界高度為5m，圍巖級別［5-6］為Ⅲ，所以S=3，巖石重度γ=23kN/m3，初期支護(hù)噴射混凝土噴層厚度為100mm，二次襯砌的混凝土厚度為350mm，隧道開挖跨度為B=12．4m，直墻部分高5．5m．根據(jù)現(xiàn)行公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算圍巖壓力，得出隧道圍巖的豎向均布壓力q=70．38kN/m2，水平壓力e=10．56kN/m2，巖石的彈性模量為 E=8．66GPa，泊松比 μ =0．28．

1．1 建模及材料定義

為了簡化計(jì)算，作出假設(shè):①假定巖體為均質(zhì)連續(xù)體，不考慮巖體中節(jié)理裂隙產(chǎn)狀和發(fā)育狀態(tài);②不考慮施工過程中的爆破影響;③地層各層之間界面假定為水平面;④忽略地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力，用自重應(yīng)力場來代表初始地應(yīng)力場;⑤不考慮超前輔助施工支護(hù)對圍巖應(yīng)力場的影響;⑥不考慮地下水的影響．

處于巖層中的隧道洞室，沿長度方向上的應(yīng)力不變，可將其看成平面應(yīng)變問題，所以將隧道結(jié)構(gòu)的計(jì)算進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，據(jù)此建立二維模型．分別建立直墻、拱底和拱頂模型，依據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)形式建立直線，采用三點(diǎn)圓弧法建立隧道二維物理模型(如圖1所示)．

對單元進(jìn)行定義，輸入材料參數(shù)．定義材料密度ρ=2．3kg/m3，彈性模量E=8．66GPa，材料的泊松比μ=0．28(見圖 2)．

圖1 二維模型

圖2 材料定義

1．2 添加約束和施加荷載

對模型施加荷載和約束，將直墻拱底、上部拱與直墻連接處施加Rx，Tz和Ry方向的約束，并限制拱和直墻其他節(jié)點(diǎn)處Tz，Rx和Ry方向的位移．并施加拱頂沿負(fù)Y方向的均布力70．38kN/m2，左右兩側(cè)直墻分別沿X正方向和負(fù)方向的均布力10．56kN/m2．至此，物理模型建立完成(如圖3所示)．

圖3 物理模型

1．3 線性分析

經(jīng)過仿真分析求解［7］，可以得到位移分布云圖，如圖4和圖5所示．其中，底板跨中位置位移值較大，最大值沿Y軸正向，其值為0．214 689m，拱頂位移值相對較小，為0．013 554 2m，方向向下(如圖4所示);直墻部分位移方向均指向隧道內(nèi)部(沿X方向)，其值為0．003 261 9m(如圖5 所示)．

圖4 位移沿Y方向的位移分量

圖5 位移沿X方向的位移分量

2 結(jié)論

本文選用有限元軟件進(jìn)行求解，可以得到結(jié)構(gòu)變形的數(shù)值，結(jié)論如下:

(1)通過建立隧道與周圍巖體的二維模型，設(shè)定初始條件和邊界條件，進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)構(gòu)變形情況，得出以下結(jié)論:結(jié)構(gòu)變形以豎向位移為主，在底板位置產(chǎn)生的豎向位移最大，數(shù)值為0．214 689m，沿Y軸正向，拱頂位移相對較小，其值為0．013 554 2m，兩側(cè)直墻部分位移方向均指向隧道內(nèi)部，位移為0．003 261 9m，拱腳和兩側(cè)直墻與底板連接部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，拱腳部分應(yīng)力較大，最大值為441 496N．施工中應(yīng)適當(dāng)采取仰拱，抵抗過大的豎向變形，引起底部隆起;直墻主要承受水平圍巖壓力，其豎向位移遠(yuǎn)小于底板．可見，豎向圍巖壓力是影響結(jié)構(gòu)變形的主要因素;

(2)通過有限元軟件得到的位移變化結(jié)果，可以定量地優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，縮短設(shè)計(jì)周期，減少成本．

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［6］肖林萍，李永樹，趙玉光．基于有限元法的隧道圍巖壓力計(jì)算與分析方法的研究［J］．地礦測繪，2008，24(2):1-3．

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