ADNIA在浅隧道施工控制数值模拟中应用研究.doc

ADNIA在浅埋隧道施工控制数值模拟中应用研究 郭永军 电（.中交第一航务工程局有限公司） 摘 要：隧道施工通过浅埋、软弱破碎围岩时会引起围岩应力位移场发生变化，本文采用ADINA软件以“生”、“死”单元模拟隧道开挖支护过程进行了三维有限元模拟，对围岩和支护结构应力位移场进行分析，得到浅埋暗挖隧道施工时地表沉降、拱顶下沉、洞内水平收敛随时间变化的规律。并且模拟不同开挖方式对地表沉降、拱顶下沉、洞内水平收敛的影响，对工程实践有着重要的指导意义: Under the shallow submersion, the soft crag condition with drill-blasting method to excavate the tunnel through ground building safely need to solve many technical questions, and completes the construction monitoring. This article unified the project actually to discuss the construction to excavate with micro-vibration the demolition theory and advance the drive pipe note thick liquid support, construction control technology and so on monitoring technology, has the important instruction significance to the project practice. key words: soft ground；Drill-blasting method；pipe note thick liquid support 1 引言 随着大量城市隧道施工进行，我国对隧道施工引起的地表沉降问题也进行了研究。大多是根据隧道开挖后地表沉降槽的形状，认为可以采用一定的曲线形式表示，在根据地表沉降实测结果或已有的资料，确定曲线的具体特征参数。由于经验公式法原理简单，易操作，是发展比较成熟也较多采用的预测地层沉降的方法［］，以及与之相适应的初始位移场，沿开挖边界上的各点也都处于一定的原始应力状态。隧道开挖后，因其周边上的径向应力和剪切力都为零，开挖使这些边界的应力卸荷，从而引起围岩变形和应力场的变化。对上述过程的模拟通常采用的方法是邓肯(J.M.Duncan)等人提出的“反转应力释放法”。即把这种沿开挖作用面上的初始地应力反向后转换成等价的“释放载荷”。 空单元法的开挖效果是通过被挖掉单元的“空单元化”，即在保证求解方程不出现病态的情况下把要挖掉单元的刚度矩阵乘以一个很小的比例因子，使其刚度矩阵变得很小可忽略不计，同时使其质量、载荷等效果的值也设为零来实现的. 在重力场作用下，运用空单元法模拟开挖过程时，所求的应力场为该步开挖后围岩的实际应力场，所求得的位移场需减去初始应力场才为该步开挖后围岩的实际位移场。 混合法是反转应力释放法和空单元法紧密结合的一种方法。避免了反转应力释放法的局限性以及空单元法的不便性。 3 隧道断面三维建模分析 3.1 数值模拟计算理论及假设 数值模拟计算按照新奥法理论，把衬砌与地层做为共同受力变形的整体。隧道中的支护措施如小导管注浆、格栅钢架等的力学模拟按等效作用进行考虑。计算方法采用弹塑性有限元方法，屈服准则采用Mobr-Coloumb准则。 计算假设： (1) 由于是浅埋隧道，上覆碎石土层较薄，仅为1m厚；片岩全风化层厚5.67~8.95m，为主要覆盖岩层，所以模型取片岩全风化层为隧道覆盖层，不在分层考虑。 (2) 初期支护承受全部荷载，二次衬砌作为安全储备，模拟时不予考虑。 (3) 初期支护看成是小导管预注浆短管棚支护围岩与喷射混凝土共同作用的结果， (4) 由于隧道埋深较浅，在隧道施工深度范围内没有发现地下水，所以在建模时不考虑地下水对模型的影响 (5) 在施加岩土的初始应力场时，只考虑重力应力场，不计构造应力场。 3.2 计算荷载及模型参数 在隧道开挖前，岩土中已经存在初始应力场{}，不计初始应力场中的构造应力，按岩土的重力应力场进行计算。在ADINA软件中，首先对三维模型施加重力荷载，计算出隧道未开挖时的初始应力，即自重应力场；其次将计算得到的初始应力施加到模型的各结点上，作为初始应力场。本文所用模拟参数是根据勘察设计单位提供的资料和铁路隧道设计规范(TB-10003-2005)进行模拟。覆盖层为碎石土及片岩全风化层，属软弱破碎围岩。 3.3模拟单元