談高寬比對隧道力學(xué)變形特性影響

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摘要：本文采用有限元法，針對Ⅳ級圍巖中埋深100m、采用全斷面開挖的隧道，計算不同截面形狀對應(yīng)的拱頂、仰拱和拱腰圍巖應(yīng)力、位移變化特征，計算分析得出：隧道截面高寬比越小，拱頂、仰拱圍巖壓應(yīng)力值越小，容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，同時變形越大，達(dá)到穩(wěn)定的時間越長。但隧道高寬比偏大，拱腰發(fā)生的側(cè)向位移會相應(yīng)增大。

關(guān)鍵詞：隧道工程；高寬比；有限元；受力變形

引言

隨著交通流量的增大，以及土地資源的緊缺，三車道、四車道隧道日益增多。與常見的單洞兩車道隧道相比，大斷面、超大斷面隧道受力變形存在顯著差異。為了解高寬比對隧道力學(xué)變形特性的影響，下文將針對Ⅳ級圍巖中埋深100m、采用全斷面開挖的隧道[1]，分別計算截面高寬比為0.69和0.48兩種工況，采用MIDAS有限元軟件計算分析分析不同高寬比對應(yīng)的拱頂、仰拱和拱腰圍巖應(yīng)力、位移變化特征，了解隧道截面形狀對變形和圍巖應(yīng)力場的影響。在此基礎(chǔ)上針對不同的隧道截面形狀提出相應(yīng)的監(jiān)控量測方案，為工程現(xiàn)場監(jiān)控量測的實施提供參考。

1隧道高寬比對圍巖應(yīng)力的影響

1.1拱頂圍巖應(yīng)力

在隧道埋深、圍巖等級及開挖方法相同的情況下，分析隧道截面形狀對拱頂圍巖應(yīng)力的影響，參見圖1。隧道高寬比越小，拱頂豎向應(yīng)力、水平向應(yīng)力值越小。尤其是豎向應(yīng)力，在高寬比為0.48時，拱頂部位豎向應(yīng)力（圖1（a））趨向于零，但在掌子面附近出現(xiàn)負(fù)值。對于高寬比較小的隧道，拱頂?shù)淖钚≈鲬?yīng)力出現(xiàn)負(fù)值（圖1（d）），表明拱頂容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，因而要加強監(jiān)測并采取必要措施，防止拱頂部位出現(xiàn)拉裂破壞。

1.2仰拱圍巖應(yīng)力

在隧道埋深、圍巖等級及開挖方法相同的情況下，分析隧道截面形狀對仰拱圍巖應(yīng)力的影響，見圖2。與拱頂圍巖應(yīng)力變化趨勢相似，隧道高寬比越小，仰拱圍巖壓應(yīng)力值越小。對于高寬比較小的隧道，仰拱部位最小主應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值（圖2（d）），容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，因而要加強監(jiān)測并采取必要措施，防止仰拱部位出現(xiàn)拉裂破壞。

1.3拱腰圍巖應(yīng)力

在隧道埋深、圍巖等級及開挖方法相同的情況下，分析隧道截面形狀對拱腰圍巖應(yīng)力的影響，參見圖3。隧道高寬比較大，在隧道施工過程中對應(yīng)的拱腰測點在z方向和x方向正應(yīng)力較大，相應(yīng)的最小主應(yīng)力σ3較大，對應(yīng)的最大主應(yīng)力較小。對于高寬比為0.69和0.48兩種情況，拱腰測點圍巖應(yīng)力穩(wěn)定后，二者最大主應(yīng)力σ1大小接近。

2隧道高寬比對變形的影響及監(jiān)控方案

2.1拱頂豎向位移

通過三維計算，確定隧道截面形狀對拱頂測點變形發(fā)展趨勢的影響，如圖4。各圍巖等級對應(yīng)的開挖過程中拱頂累計沉降與最終沉降的比值見表1。從圖4可以得出，對于Ⅳ級圍巖中埋深100m、采用全斷面開挖的隧道，掌子面離測點越近，施工對測點位置土體位移影響越大，而后逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。截面高寬比越小，拱頂產(chǎn)生的沉降越大，測點距離掌子面較遠(yuǎn)仍有較大變形發(fā)生，沉降達(dá)到穩(wěn)定的時間越長。測點位于掌子面后方一定距離處，隧道高寬比越小對應(yīng)的拱頂產(chǎn)生的累計沉降與最終沉降的比值越小，因此高寬比較小的隧道更應(yīng)延長位移監(jiān)控量測時間。量測過程中，測點沿隧道軸向的布置應(yīng)該考慮隧道高寬比的影響。對于高寬比較小的隧道，測點應(yīng)該布置較密，相應(yīng)的監(jiān)測頻率也應(yīng)該加大[2、3]。見表1。

2.2仰拱豎向位移

通過三維計算確定對于不同的隧道高寬比，施工過程中隨著掌子面推進(jìn)仰拱測點豎向位移發(fā)展趨勢，如圖5所示。對于Ⅳ級圍巖中埋深100m、采用全斷面開挖的隧道，截面高寬比越小，仰拱產(chǎn)生的變形越大，達(dá)到穩(wěn)定的時間越長。從圖中可得出，掌子面離測點越近，施工對測點位置土體位移影響越大，而后逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。相比于拱頂變形，仰拱變形較小，可作為選測項目。進(jìn)行監(jiān)控量測時，對于截面高寬比較小的隧道測點應(yīng)布置較密，監(jiān)測頻率應(yīng)加大。

2.3拱腰側(cè)向位移

分析不同截面高寬比隧道拱腰測點側(cè)向位移隨掌子面推進(jìn)的發(fā)展變化趨勢，如圖6。相比于拱頂和仰拱的豎向變形，隧道開挖導(dǎo)致拱腰測點側(cè)向變形較小。隧道高寬比越大，拱腰發(fā)生的側(cè)向位移也越大。所以對于高寬比較大的隧道（如鐵路隧道）更應(yīng)看重拱腰水平周邊收斂變化量測。對于離掌子面較近的測點，隧道開挖的時候，引起拱腰發(fā)生較大的側(cè)向位移，隨著掌子面的推進(jìn)，變形有減小回彈趨勢，而且隧道截面高寬比越小，變形最大值與穩(wěn)定值之間的差異越大，在進(jìn)行監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析時，應(yīng)注意到這一變形特征，即隧道拱腰變形達(dá)到最大值后出現(xiàn)回彈屬于正?，F(xiàn)象。

3結(jié)論

①隧道截面高寬比越小，拱頂、仰拱圍巖壓應(yīng)力值越小，容易出現(xiàn)拉應(yīng)力。因而應(yīng)加強監(jiān)測并采取必要措施，防止拱頂、仰拱位置圍巖出現(xiàn)拉裂破壞。②截面高寬比越小，拱頂、仰拱產(chǎn)生的變形越大，達(dá)到穩(wěn)定的時間越長，因此高寬比較小的隧道更應(yīng)延長位移監(jiān)控量測時間。③相比于拱頂和仰拱的豎向變形，隧道開挖導(dǎo)致拱腰測點側(cè)向變形較小。隧道高寬比越大，拱腰發(fā)生的側(cè)向位移也越大。所以對于高寬比較大的隧道（如鐵路隧道）更應(yīng)看重拱腰水平周邊收斂變化量測。

參考文獻(xiàn)

[1]張燕清.開挖方法對隧道圍巖應(yīng)力的影響分析[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2017(01):72-77..

[2]張燕清.曹源隧道施工動態(tài)監(jiān)測與有限元模擬分析[J].福建交通科技,2016(2):97-101.

[3]陳治伙,彭貽希,楊相如.隧道不同開挖方式對應(yīng)的監(jiān)控量測方法研究[J].福建交通科技,2012(6):25-29.

作者：江進(jìn)炳 單位：福建省交通建設(shè)工程監(jiān)理咨詢有限公司