基于ABAQUS的无渗流偏压隧道开挖分析(包含地应力平衡分析)VIP专享VIP免费

基于ABAQUS的无渗流偏压隧道开挖分析（包含地应力平衡分析）1隧道建模及地应力平衡1.1工程概况本模型截取的一段隧道通过山体坡度30°左右一侧，隧道开挖及初衬断面为五心圆各项参数如表2.1所示。隧道跨度13.36m，高11.71m，偏压部分覆盖层厚度约为20m。隧道区地下水主要为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水，垂直隧道中轴线向东120米勘察孔水位为65米，向西120米勘察孔水位为10米。施工过程中隧道单位正常涌水量3.43m3/d，中等富水。具体围岩初衬参数将在后文建模时给出。表2.1隧道断面参数(单位：cm)r[1]R[1]r[4]R[4]h[1]h[2]h[3]abhHB603653131513702121919120220815117113661.2隧道建模及偏压判定结合隧道工程勘察报告和规范取围岩和初衬参数值如表2.2所示，隧道初衬厚度为30cm。表2.2围岩和初衬参数取值弹性模量/GPa泊松比密度/Kg/m3内摩擦角/°内聚力/MPaV级围岩1.80.382200250.3初衬250.22400//文献指出，取模型边界为隧道开挖直径8倍时，其地震和静力计算对隧道的影响可以忽略不计。本模型取隧道开挖直径的10倍，力求将边界影响降低到最小，同时兼顾计算工作量。建模时先简化山体坡脚30°一侧为一顶角120°的圆锥，按照隧道实际位置确定隧道后，在山体上切下符合隧道开挖直径10倍的计算模型（如图2.2），这样会使模型上表面近似山体的曲面，较符合实际地形条件，模型自前向后偏压角度略有减小。与直接将上表面简化为平面的模型相比，其计算结果和实际工程的符合性有较大提升，对隧道内部应力的分布也反映的更为准确。本章将对无渗流条件下的静力偏压情况进行模拟，以便和后文中渗流作用下偏压隧道的应力场变化进行比较。模型上隧道圈线和穿越隧道的斜线是为方便后续渗流计算所做分割面，不影响计算。图2.2模型切取示意图模型尺寸如上文所述，首先不考虑渗流场，仅考虑重力作用。岩体采用摩尔-库伦模型，初衬选用弾性模型。其中锚杆注浆加固区影响范围约为4m，加固效果在软件模拟中以提高影响范围内岩土参数的方式进行处理。将加固区围岩的弹性模量、密度、粘聚力和内摩擦角提高10%~20%，泊松比降低10%左右。建立模型如图2.3所示，对模型前后左右四个面和底面进行位移约束，上表面自由，模型整体施加重力作用。采用六面体单元形状C3D8R单元，其中山体和隧道岩体共划分18237个单元（如图2.3-a）；初衬为图2.3-b中红色区域，划分4100个单元。隧道开挖计算前利用MODELCHANGE，REMOVE功能移除初衬单元，开挖后重新激活，不影响前置计算。模型网格划分较密，虽加大了工作量，但可以增加计算精度，使结果更加准确。（a）模型整体示意图（b）隧道部位放大图图2.3模型建成图结合《铁路隧道设计规范》、《公路隧道设计规范》可知影响偏压隧道结构应力分布的主要因素有横坡坡度和最大埋深。其中最大埋深可由普式理论进行确定：普式理论提出当隧道埋深至一定深度后，隧道开挖后在其上方将形成自然拱，仅自然拱内的围岩松散体对支护结构施加压力，自然拱外的围岩压力由自然拱承担。由此可知因为自然拱的存在，隧道的偏压效果将随着坡脚的减小与埋深深度的增加而减弱。该自然拱外缘为一质点拱，计算方程如下：101\*MERGEFORMAT(.)式中，为自然拱半跨度，，其中，为隧道跨度，为围岩计算摩擦角；为围岩的坚固性系数，。使用时，首先根据围岩的计算摩擦角和隧道的跨度分别计算自然拱的半跨度和围岩的坚固性系数，然后将计算得出的自然拱的半跨度和围岩的坚固性系数代入式（2.1）中计算自然拱方程，并根据自然拱的曲线方程作图绘出自然拱曲线，最后根据地形的坡度不同分别作出自然拱的切线，隧道中轴线与自然拱切线的交点与隧道拱顶的距离即为偏压隧道产生偏压的最大埋深。其中各级围岩计算摩擦角的取值根据《铁路隧道设计规范》取值如表2.3所示：表2.3围岩计算摩擦角围岩级别IIIIV石IV土V计算摩擦角/（°）65605045本工程坡度为30°，计算取V级围岩，隧道跨度13.36m，高11.71m，根据上述计算方法可确定偏压隧道山体最大覆盖厚度约为26.6m。分析本隧道位置可知其覆盖层厚度约为20m，理论计算结果会产生偏压效应，与实际情况相符。1.3初始地应力平衡地应力是指存在于地壳中未受工程扰动的天然应...