偏压分岔隧道施工过程损伤破坏分析与优化研究_图文

1、第30卷第6期 岩 土 力 学 V ol.30 No. 6 2009年6月 Rock and Soil Mechanics Jun. 2009收稿日期:2007-10-08基金项目:国家杰出青年科学基金(A 类(No. 50625927;中国博士后科学基金(20080431200;山东省博士后创新项目(200803041 第一作者简介:王汉鹏,男,1978年生,讲师,博士后,主要从事岩石力学试验与数值模拟方面的研究工作。E-mail: pcwli文章编号:1000-7598 (2009 06-1705-06偏压分岔隧道施工过程损伤破坏分析与优化研究王汉鹏1,李术才1,郑学芬2(1. 山东大学

2、岩土与结构研究中心,济南 250061;2. 山东城市建设职业学院,济南 250014摘 要:正在施工的沪蓉西高速公路八字岭分岔隧道属于偏压隧道,而且分岔隧道包括连拱段和小净距段,施工过程转换复杂,因此,采用正确的施工方案对于隧道的稳定性非常重要。为更真实地模拟岩体的力学特性,研究施工过程中岩体的损伤破坏,根据不可逆热力学理论建立了弹塑性损伤耦合模型,并编制了三维弹塑性损伤有限元程序D-FEM 。建立了分岔隧道大型三维数值模型,采用弹塑性损伤有限元D-FEM 模拟了分岔隧道不同的施工过程,通过分析施工过程中隧道围岩的位移、应力和损伤屈服区,最终确定采用左洞超前右洞32 m ,左右洞同步开挖的施

3、工方法。 关 键 词:偏压;分岔隧道;施工过程优化;弹塑性损伤;有限元 中图分类号:U 457;TB 115 文献标识码:ADamage analysis and optimum research on constructionprocess for forked tunnel under bias pressureWANG Han-peng 1,LI Shu-cai 1,ZHENG Xue-fen 2(1. Research Center of Geotechnical and Structural Engineering, Shandong University, Jinan 250061

4、, China;2. Shandong Urban Construction V ocational College, Jinan 250014 China Abstract: Baziling forked tunnel along Shanghai-Chengdu Expressway in construction is an unsymmetrically loaded tunnel. Construction process of forked tunnel is very complex because the forked tunnel includes twin-bore se

5、ction and small clear spacing section. So, its important for forked tunnel to adopt appropriate construction process. In order to simulate rock mass properties veritably and analyze damage failure of rock in construction, the coupling model of elastoplastic damage is presented based on irreversible

6、thermodynamics theory. 3D elastoplastic damage finite element code D-FEM is programmed by FORTRAN language. A large 3D numerical model of forked tunnel is set up and different construction processes are simulated by D-FEM. Through analyzing displacement, stress and damage yield zone of tunnel surrou

7、nding, the optimum construction process that left tunnel excavates ahead of right tunnel 32 m is determined, left tunnel and right tunnel excavate synchronously is proposed.Key words: bias pressure; forked tunnel; construction process optimization; elastoplastic damage; finite elements1 前 言根据朱维申等1对施

8、工过程力学的研究,施工过程对隧道的稳定性非常重要。根据国内外的研究结果2-4,一般认为,连拱隧道左右正洞开挖的错开距离,应控制在3D (D 为隧道直径左右,并根据量测结果调整,做到超前洞室的围岩变形基本稳定后,方可进行滞后洞室的施工。王祥秋、陈秋南等分别采用有限元与现场监测相结合的方法研究了龙井隧道和湖南双连拱进口施工过程,阐述了有限元能够模拟施工过程5-6。胡学兵等采用二维有限元研究了公路偏压连拱隧道,得出先施作深埋洞,再施作浅埋洞为最优施工方案7。周玉宏等也采用二维有限元研究了偏压连拱隧道8。赵阳等采用三维模型模拟了偏压浅埋隧道不同施工方法,3导洞法施工步序对围岩的扰动次数多、衬砌的整体性

9、不好,建议在围岩稳定允许的条件下,尽量应用中导洞法以减少对围岩的扰动和简化施工过程9。Soliman.E 利用平面应变和三维有限元对小净距进行了开挖模拟10。靳晓光等采用有限元研究了小净距偏压隧道,得出先开挖浅埋侧隧道优于先开挖深埋侧隧道的结论11。正在施工的沪蓉西八字岭分岔隧道地表为高岩 土 力 学 2009年 低不平的山地,由连拱段至小净距段埋深逐渐增大;且左洞方向的地面标高大于右洞方向,隧道模型最大埋深179.35 m ,最小埋深78.35 m ,偏压比较严重,属于偏压隧道。分岔隧道包括连拱段和小净距段,施工过程转换复杂,因此,分析分岔隧道施工过程中的损伤破坏,对优化施工过程十分必要。2

10、 计算原理与计算模型2.1 弹塑性损伤耦合模型根据不可逆热力学理论进行推导,根据文 献11-15,弹塑性损伤变形与加载历史有关,因此,本构关系应采用率形式可表达为e d e d p edp: C C =+=+ (1式中: 为弹塑性损伤岩体的总应变率;e e d :C = 为在某一损伤尺度状态下岩体的弹性应变率;e dC 为弹性损伤柔度张量;p 为岩体的塑性应变率,塑 性应变增量p d d F =。d e d :C = 为因损伤演 化引起岩体弹性性质“劣化”而产生的附加耦合应变率,称之为损伤演化耦合应变率。已知弹性损伤柔度张量e de dCC C =+ (2因为e C 为常数,故将式(2写成增量

11、形式得到:e d d C C = (3 d d :C = (4至此,求出了岩体弹塑性损伤的本构关系模型。 2.2 损伤演化方程损伤演化方程是描述损伤变量与应力-应变关系的准则。国内外许多学者研究建立了不同的损伤演化方程,这里认为损伤演化的控制因素是应变,则设岩石的损伤阀值应变为f ,极限应变为u ,在单向应力下损伤演化过程可表达为16f u f f u f 0 0( (uD <=<< (5按照Mazars 把一维损伤本构关系推广到三维的办法17,用等效拉应变和等效压应变代替上式的,即可分别求得拉伸和压缩造成的损伤t D 和c D 。根据各应变分量求得3个主应变123, , ,

12、则 等效拉应变t(>0i =,等效压应变c (<0j =。当单元体中存在拉压两种主应力的混合受力状态时,则单元体的总损伤为t t c c D D D =+ (6式中:t 和c 为组合系数,具体参考文献16。 2.3 弹塑性损伤有限元当某单元损伤后,为满足结构平衡原理,需要将单元损伤后多余应力引起的节点力附加在荷载向量中。损伤引起的损伤演化附加力由下式19计算:Td d F B D V = (7式中:B 为应变矩阵; ''''''''''''000000000=000000000000B

13、A A A B A A A B DD D D D C C C = 式中:D 为考虑损伤D 后的弹性刚度矩阵18;'A =''2; ; 3(13(12(1E E EB C =+;D 为损伤演化增量。因此,当采用损伤软化弹塑性耦合计算时,由虚功原理,结构整体有限元方程组为:d ij j i i K F F =+ (8式中:i F 为单元等效节点荷载向量。根据上面的理论,采用VISUAL FORTRAN 6.5编制了相应的三维大型弹塑性损伤有限元程序D-FEM 。该程序能进行单元的生死模拟, 具有群组功能,采用预条件共轭梯度法(PCG 进行迭代求解,计算速度快。 2.3 数值

14、模型考虑到边界效应的影响,模拟范围为:长(X 向×高(Y 向×厚(Z 向=150 m×(116216.5 m×85 m 。隧道连拱段和小间距段的长度分别为: 42.2 m 和42.8 m 。建立了分岔隧道的真三维大型模型,共划分20 710个单元, 22 280个节点(见图1。单元采用8节点6面体三维等参单元,计算模型底部和前后左右四周滑动约束,上部自由。1706第6期 王汉鹏等:偏压分岔隧道施工过程损伤破坏分析与优化研究 图1 模拟范围及网格划分Fig.1 Simulation range and element meshes文中的塑性屈服准则采用Mo

15、hr-Coulomb 模型来模拟。计算力学参数见表1,围岩采用围岩,连拱段混凝土中墙采用C20混凝土,衬砌采用C25混凝土。锚杆支护采用等效弹模法,将支护范围围岩的强度和弹模提高20 %。 2.4 施工工序开挖总是从连拱段向小净距段推进,连拱段先开挖中导洞,然后浇筑混凝土中墙。为研究分岔隧道在偏压情况下的施工过程优化,选取的施工工序如下:(1先开挖左洞,后开挖右洞;(2先开挖右洞,后开挖左洞;(3左洞超前右洞开挖,然后左右洞同时进行开挖,分别考虑超前距离L =20 m和L =32 m ,见图2所示;(4右洞超前左洞开挖,然后左右洞同时进行开挖,分别考虑超前L =20 m 和L =32 m 。在

16、纵断面上,不同的施工工序,隧道的每步进尺都为4 m ;在横断面上,隧道采用上下台阶法开挖,先开挖上台阶,再开挖下台阶。表1 计算力学参数 Table 1 Mechanical parameters单轴压缩应变单轴拉伸应率材料类别 重度 /(kN/m 3 弹模 E /GPa 泊松比 黏聚力 c /MPa 摩擦角 /(° 抗拉强度 /MPa f u f u 围岩 27.8 8 0.22 1.3 40 1.0 0.000 7 0.00 7 0.000 5 0.005 混凝土C20 25 26 0.2 1.6 40 1.6 0.000 5 0.00 5 0.000 3 0.003 混凝土C2

17、527290.22.0451.90.000 50.00 50.000 30.003图2左洞超前右洞同步施工方法Fig.2 Synchronous construction of left tunnel ahead ofright tunnel3 施工优化分析3.1 左右两洞开挖面合理间距一侧洞开挖完后再开挖另一侧隧洞,随着另一侧隧洞的开挖推进,先开挖隧洞拱顶也逐渐下降,见图3。从图中可以看出,后开挖隧洞开挖面距离先开挖隧洞监测断面的距离越长,先开挖隧洞该监测断面的位移所受先开挖隧洞的影响越小,距离后开挖隧洞掌子面前方32 m 的先开挖隧洞的变形基本稳定。因此,左右洞开挖面的合理间距应为32 m

18、 。-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100816243240485664728088开挖进尺/m位移/m m图3 后开挖隧洞开挖对先开挖隧洞的影响Fig.3 Influence of tunnel excavation on previous tunnel3.2 施工工序确定 3.2.1 位移图4为在断面1左右两隧洞拱顶的位移曲线。图中,左洞超前32 m 开挖时,左隧洞拱顶的最终位移为 4.52 mm ,右隧洞拱顶的最终位移为4.26 mm ;右洞超前32 m 开挖时,左隧洞拱顶的最终位移为 4.63 mm ,右隧洞拱顶的最终位移为 4.12 mm ;由此

19、可见,同一侧隧洞,滞后开挖时的拱顶下降位移较超前开挖时大。注:图中箭头所指为开挖方向断面4XY Z1707岩土力学 2009年 图4 拱顶位移随施工步的变化曲线Fig.4 Curves of left and right tunnel vault displacementsfollowing excavation连拱段和小净距段中墙中部和上部的水平位移随施工步的变化见图5。由于左侧水平应力较右侧大,连拱段中墙和小净距段中墙的水平位移都朝向右洞。不论连拱中墙还是小净距中墙,中墙上部和中部产生的最终水平位移都是左洞超前比右洞超前要小;尤其在开挖阶段,小净距中墙中部的水平位移相差较大。 图5 隧道中

20、墙水平位移变化Fig.5 Curves of middle wall horizontal displacementsof tunnel3.3.2 应力分岔隧道中墙的稳定性是研究的重点,图6为左洞超前32 m和右洞超前32 m时,中墙上部的水平和垂直应力随施工步的变化曲线。从图中可知,中墙的最终垂直应力为7 MPa,开挖过程中,左洞超前水平和垂直应力都较右洞超前小。3.3.3 损伤屈服区左洞超前右洞开挖的施工方式所引起的连拱段和小净距段隧道的中墙内产生的损伤区和屈服区见图7。相比左洞超前20 m,左洞超前32 m时中墙的损伤区和屈服区都减少了。连拱段中墙右侧的屈服区较左侧大。靠近连拱段的小净距

21、段隧道中墙的损伤区和屈服区最大,因此,此处是最危险的区域,应该加强支护措施。 图6 不同施工工序断面1中墙上部应力Fig.6 Middle wall stress curves under differentexcavation methods(a左洞超前20 m(b左洞超前32 m图7 左洞超前中墙损伤屈服分布Fig.7 Middle wall damage and plastic zone distributionof left tunnel右洞超前左洞开挖的施工方式所引起的连拱段和小净距段隧道的中墙内产生的损伤区和屈服区见图8。相比右洞超前20 m,右洞超前32 m时中墙的损伤区和屈服区

22、都减少了。连拱段中墙两侧的屈服区相差不大。靠近连拱段的小净距段隧道中墙的损伤区和屈服区最大,因此,此处是最危险的区域,应该加强支护措施。综合分析不同施工方式隧道的位移、应力及损伤区、屈服区的分布,可以认为,采用左洞超前的开挖方式有利于隧道的稳定。3.3.4 最优施工方案根据前面的分析,为减小左右两隧洞相互开挖的影响,左右两洞开挖面合理间距应该为32 m。为连拱小净距损伤屈服小净距连拱损伤屈服1708第6期 王汉鹏等:偏压分岔隧道施工过程损伤破坏分析与优化研究确定先开挖哪一侧隧洞利于稳定,根据位移、应力和中墙损伤屈服区的分析,最终确定先开挖左洞有利于隧道稳定。因此,分岔隧道最优施工方案应该为左洞

23、超前32 m ,左右洞同步开挖的施工方案。(a 右洞超前20 m(b 右洞超前32 m图8 右洞超前中墙损伤屈服分布Fig.8 Middle wall damage and plastic zone distribution ofleft tunnel4 结论与建议对于分岔隧道这种新型的隧道结构形式,存在连拱段隧道和小净距隧道的施工转化问题,施工过程复杂,八字岭分岔隧道属于偏压隧道,对于这种情况,有必要研究施工方法。采用三维弹塑性损伤耦合模型优化了分岔隧道的施工过程,得出以下结论:(1根据不可逆热力学理论推导出了弹塑性 损伤耦合模型,并编制了三维有限元。采用弹塑性损伤耦合模型能更好地模拟岩体的

24、变形和损伤破坏特性,(2研究表明,左右洞先后开挖掌子面至少应该相距32 m 以上,才能使左右洞相互影响减小。(3建议采用的施工方案为:先开挖左洞,即埋深较大一侧隧洞,朝前右洞32 m ,然后左右洞同步开挖。参 考 文 献1 朱维申, 李术才, 白世伟, 等. 施工过程力学原理的若干发展和工程实例分析J. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(10: 1586-1591.ZHU Wei-shen, LI Shu-cai, BAI Shi-wei, et al. Some developments of principles for construction process mechanics

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