连拱隧道开挖过程的模型试验研究及其三维数值模拟

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【摘要】文章从连拱隧道开挖过程的模型试验研究及其三维数值模拟的重要性出发，系统阐述了连拱隧道开挖过程的模型试验研究。接着研究了连拱隧道开挖过程的三维数值模拟。

【关键词】连拱隧道，开挖过程，模型试验，三维数值模拟

中图分类号：U45文献标识码： A

一、前言

在连拱隧道开挖的整体施工过程中，各种施工技术与方式及设计对整体建筑都产生重要的影响，因此对连拱隧道开挖过程的模型试验进行研究及和对三维数值进行模拟能够，很大程度上提连拱隧道的质量和有效缩短工期。

二、连拱隧道开挖进程的模型实验研讨及其三维数值模拟的重要性

中国在高速公路的建设中，在特殊地质及地形条件的区域，为获得良好的施工经济效果，很多挑选了连拱隧道计划。但中国已建成的连拱隧道的数量较少，缺少可学习的规划施工经历。日本及欧美等公路隧道建筑施工发达的国家，连拱隧道呈现的历史较中国要长，已有相应的规划施工经历。这篇文章在归纳剖析当时连拱隧道发展的基础上，以直墙连拱隧道为布景，进行了室内的类似物理模型实验研讨。模型实验选用了1∶100的比例尺模型，以类似比和容重类似比为基础类似比，完成了在弹性范围内控制各物理力学参数的全类似性。依据工程布景的首要地质条件，确定选用水平岩层的岩体构造，模拟导洞和连拱隧道的开挖工况，分别选用8.30无构造衬砌和9.11预埋构造衬砌两次模型实验。

三、连拱隧道开挖进程的模型实验研讨

连拱隧道开挖实验包含平面方向的拓展实验（走滑型）和剖面方向的拓展实验，而剖面方向的决裂拓展又包含逆断型和正断型的决裂拓展，这儿只介绍剖面方向的决裂拓展研讨现状，并以正断型为主。

1、选用不一样倾角的基底正断层砂箱模型

模拟了正断层构造构成进程，断层演化进程分红两个期间：先构成一些坐落降低盘且向降低盘曲折的开裂，这些开裂又可地表发生逆冲挤压开裂；然后，更多的处于中密、干砂环境中的正断型断层面构成，当基底断层倾角较小（30°～60°）时可发生倾向相反的正断层，然后和前面的正断层构成地堑。

2、选用类似资料的地质力学机制物理模型实验

得出构造重力拓展机制是西安地裂缝构成的底子成因，以为西安地裂缝最大也许延深为老第三系地层的中上部等重要定论，解说了西安反倾向地裂缝是属于主裂缝（正倾向为南东）上盘的分支裂缝，且与主缝在剖面上构成“Y”型，一起指出反倾向裂缝是地裂缝发育演化历史中的期间产品，由于堆积物的加厚和地裂缝向上延伸，其活动方式仍将被倾向南东的主裂缝所替代。

3、选用土工离心模拟施工研讨

4种不一样土质的上覆土层在地下笔直位错正断型和水平位错型基岩开裂活动时的性状反响，其首要定论是：正断错位导致的决裂面倾向与基底断层方向相反；张性的正断错位比水平错位对上部土层的开裂影响要大；上部掩盖为单一的软C中等强度的土层比粗细相间堆积的土层影响要大；当开裂位错1～3m时，其决裂高度均在20m以内；当开裂位错增大到4.5m时，土层决裂在30m以内。

4、经过大型物理模拟实验和应力、变形量测

研讨了正断型隐伏地裂缝在笔直位错下的决裂拓展导致上覆土体应力、位移的改变规则，决裂向上的拓展形式以及决裂的平、剖面构造特征，并对连拱隧道开挖进程进行了剖析。

四、连拱隧道开挖进程的三维数值模拟

1、核算模型树立与参数选择

选用MIDAS/GTS有限元剖析软件对隧道开挖进程进行数值模拟剖析，核算选用弹塑性模型、平面应变单元进行模拟。模型摆布取50m，上部取至地表，下部取30m；模型两边鸿沟水平位移被束缚，底部鸿沟竖向位移被束缚，上部为自在外表。在模型中选择轨迹线典型方位处的节点，典型节点分别为拱顶、摆布拱腰、仰拱；水平位移节点选择两边边墙。轨迹线拱顶沉降和周边收敛的戒备值为±1.4mm。

2、模拟施工进程

本次数值模拟剖析施工次序如下：轨迹线开挖轨迹线前期支护轨迹线二衬施作中导洞开挖中导洞暂时支护中隔墙施作右洞上台阶开挖右洞上台阶前期支护施作右洞下台阶开挖右洞下台阶前期支护右洞二衬左洞上台阶开挖左洞上台阶前期支护左洞下台阶开挖左洞下台阶前期支护。在数值模拟剖析进程中轨迹线二衬施作后围岩位移清零。

3、数值模拟结果剖析

（一）、围岩竖向位移

中导洞开挖后，轨迹线左拱腰、仰拱表现为上拱，上拱量分别为0.06mm、0.07mm，正拱顶和右拱腰变现为沉降，沉降值分为0.00mm、0.01mm，阐明中导洞开挖对轨迹线的影响较小。右洞开挖后，轨迹线的左拱腰和仰拱上拱量分别为0.71mm、0.32mm，正拱顶和右拱腰的沉降值分为0.02mm、0.21mm，阐明右洞开挖对轨迹线影响较小，轨迹线处于安全状况。轨迹线在左洞开挖后，接近右洞的左拱腰和仰拱变现为上拱，上拱量分别为0.67mm、0.41mm，正拱顶和右拱腰表现为下沉，沉降值分别为0.47mmm、0.41mm，未超越戒备值1.40mm，左洞开挖后轨迹线处于安全状况。在中导洞开挖后轨迹线的左拱腰、正拱顶、右拱腰的位移较小；在右洞开挖后左拱腰上拱开端增大，正拱顶和右拱腰下沉较小；在左洞开挖后，左拱腰上拱在减少，而正拱顶和右拱腰沉降开端添加；在左洞支护后，轨迹线的位移处于安稳状况。

（二）、围岩水平位移

中导洞开挖后，轨迹线的左面墙和右边墙皆为向内收敛，最大水平相对位移为0.08mm，表明中导洞对轨迹线的水平收敛的影响较轻微。右洞开挖后，轨迹线的摆布边墙向外扩大，水平相对位移添加，最大水平相对位移为0.28mm，右洞的开挖对轨迹线有影响。左洞开挖后，轨迹轨迹线的摆布边墙向外扩大，水平相对位移添加，最大水平相对位移为0.55mm，左洞开挖后，轨迹线的相对平距添加，左洞的开挖对轨迹有必定的影响。

以完成二衬后作为变形零点，轨迹的相对平距由于施工进程在逐渐的增大，右洞及左洞的开挖，轨迹线的相对平距改变起伏较大，阐明摆布洞开挖对轨迹线的水平位移影响较大。

（三）、围岩应力

轨迹线的第一主应力和第三主应力在左洞下台阶开挖后到达最大值。轨迹线的第一主应力最大呈现在仰拱处，表现为拉应力，最大值为0.28MPa；第三主应力最大呈现在右边墙方位，变现为压应力，最大值为1.52MPa，均小于规划C40混凝土抗压规划强度21.5MPa与抗拉规划强度1.8MPa。

连拱隧道现有规划支护参数能够满意本身安稳及安全性要求，亦能一起满意轨迹交通线围岩的安稳及构造安全。在连拱隧道施工进程中，轨迹线受沉降变形以及水平变形影响相对较大，中导洞、右洞、左洞的开挖三个期间诱发轨迹线的拱顶最大上拱量分别为0.06mm、0.71mm、0.67mm，边墙水平相对位移最大为0.08mm、0.28mm、0.55mm。上述变形量未超越戒备值1.40mm，阐明连拱隧道开挖进程中轨迹线处于安全状况。

连拱隧道下部的轨迹线的最大压应力为1.52MPa，最大拉应力为0.28MPa，均小于规划C40混凝土抗压规划强度21.5MPa与抗拉规划强度1.8MPa，轨迹线的构造处于安全状况。

五、结束语

总之，随着科连拱隧道开挖施工技术的不断发展，将会有更多先进的方法被运用到连拱隧道开挖过程当中。在新形势下，我们要坚持模型试验，实现更好的三维数值模拟，为连拱隧道开挖施工质量提供有力的保证。

参考文献

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[4]孙玉永，周顺华，向科，等．近距离下穿既有隧道的盾构施工参数研究[J]．中国铁道科学，，2010

作者简介：唐伟 男 汉湖南益阳1990―硕士研究生，研究方向：地下工程与边坡治理