兩岔口隧道施工過程模擬論文

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摘要：通過湖南兩岔口公路隧道施工實例,介紹了新奧法原理及Ⅲ級圍巖根據新奧法原理采用的具體施工方法，同時介紹了兩岔口隧道施工過程模擬的原理。

關鍵詞：兩岔口隧道；新奧法；施工過程模擬

1工程概況

兩岔口隧道是一座雙向四車道高速公路小凈距中隧道，位于吉首市以西4km。左洞起至樁號為ZK2+767～ZK3+280,長513m；右洞起至樁號為YK2+771.6～YK3+280,長508.4m，隧道總長1021.4m。

2新奧法的基本原理

新奧法是一個具體應用巖體動態性質的完整的力學概念（或者說是一種隧道工程概念），是按科學制定的并已為實踐所證明的原則和思想去修筑隧道。其特點是在開挖面附近及時施作密貼于圍巖的薄層柔性支護和錨桿支護，控制圍巖的變形和應力釋放,從而在圍巖和柔性支護的共同變形中調整圍巖內部應力分布，達到應力平衡，最大限度地保持圍巖固有強度和利用其自承能力。

新奧法的基本原理可以歸納為以下幾點：

2.1隧道開挖作業應采用光面爆破,選擇合理的斷面形狀、施工程序和開挖方法，并盡量采取大斷面開挖，盡量減少對圍巖的破壞程度。

2.2隧道開挖后，盡量利用圍巖的自承能力，把圍巖當作支護結構的基本組成部分，遇塑性變形較大的圍巖壓力，增設錨桿加固，使圍巖與支護緊密結合，施作的支護將同圍巖共同工作，形成一個整體的承載環

或承載拱

2.3根據圍巖特征采用不同的支護類型和參數，及時施作密貼于圍巖的柔性噴射混凝土和錨桿作為初期支護，以控制圍巖的變形和松馳。

2.4在軟弱破碎圍巖地段，應及早閉合隧道斷面，及時封閉仰拱，能有效地發揮支護體系的作用，保證隧道的穩定。

2.5二次襯砌是在圍巖與初期支護變形基本穩定的情況下構筑的，圍巖的支護形成一個整體，不僅能提高支護體系的安全度，而且還能增加襯砌的厚度。

2.6盡量使隧道周邊輪廓圓順,避免棱角突變處應力集中。

2.7設置量測系統，監測圍巖變位、變形速率及收斂程度，并進行必要的反饋分析，正確估計圍巖特性及其隨時間的變化，及時調整開挖及支護方式，以確定施作初期支護的有利時機和是否需要補強支護等措施。使設計施工更復合實際情況，確保施工安全。

2.8在某些條件下，還必須采取其他補充措施，如超前灌漿，凍結、疏導涌水等，方能使新奧法取得成功。

3兩岔口隧道Ⅲ級圍巖開挖方式的選擇

選擇開挖方式時，應考慮下列幾個問題：（1）隧道埋深、巖體狀況、有無斷層破碎帶、有無涌水、巖石強度等有關隧道圍巖自穩性的問題；（2）隧道總長或工區長度，隧道的線形，斷面形狀和尺寸等有關工程規模；（3）地表設施狀況，對地表下陷有無要求，地表下陷量的容許值等有關環境要求問題；（4）機械設備，工期等施工條件問題。因短臺階開挖比長臺階更早地使支護結構形成閉合斷面，更利于控制地表沉降量。因此，在巖質條件更差時，采用短臺階開挖比長臺階法更有利。根據兩岔口隧道工程實際情況，Ⅲ級圍巖決定采用短臺階法進行開挖，分成上半斷面和下半斷面

4兩岔口隧道施工過程模擬原理

隧道施工過程的位移和應力受到施工方式、開挖步長、速度及施工組織的影響。在對施工過程的模擬要真實的反映實際的施工過程，同時進行必要的簡化。分開挖、支護步驟分別進行模擬。由于土體的應力應變關系的復雜及本構模型的選用、土的分層性、土體的各向異性及不均勻性、施工條件影響復雜、土體應力狀態的改變等因素難以準確地解決，所以利用有限元計算得出的結果目前只能停留在探求土體應力及位移場的分布規律的定性分析上，尚不能達到定量化，因此對兩岔口隧道Ⅲ級圍巖施工過程進行模擬分析的主要目的是描述隨著開挖的進行，圍巖和支護的位移和應力的變化規律，以便更好的指導施工的繼續進行。4.1開挖過程的模擬

根據開挖多個單元時在各結點上引起的增量等效結點荷載公式

式中：Nde——挖掘單元總數

——位移應變矩陣，

——原始狀態下的初始地應力，

N——形函數矩陣，

γ——巖土介質坐標軸方向的容重分量，

Se——挖去單元的面積

可知，每次開挖都可以用增量形式的荷載來表示。所以，在整個開挖過程中引起的應力和位移的變化情況就很容易通過分級開挖，即分級加載來模擬計算，每級加載的同時把挖掘的單元變為空單元。

4.1.2開挖過程的荷載釋放

用有限元計算出開挖面邊界處各結點荷載，將開挖釋放的等效結點力反加于開挖邊界，對已“挖去”的單元材料賦一小值，形成所謂“空單元”，這就完成了開挖過程的模擬。值得指出的是用“空單元”取代開挖單元，可能導致剛度矩陣變態。為了解決此問題，可令已挖去的結點位移為零，并把這些結點對應的方程從總剛度方程消去。

使用等效結點荷載法對開挖過程進行模擬，開挖荷載如何施加的是問題的關鍵。開挖后，開挖處單元沒有剛度。為反映開挖的實際情況，可以在每次開挖后都重新形成單元劃分網格。如果用人工處理網格劃分，顯然是件極其煩瑣的工作。這個問題可以通過編制自適應網格劃分程序來解決。

4.1.3澆注建造過程的模擬

隧道的開挖和支護過程是分期進行，相互交替的，因此數值分析過程中也要模擬這種過程，首先，在劃分洞室內部單元時就必須考慮整個施工程序，所有開挖和澆注部分的邊線都必須是單元的邊線，而不能在單元內部。澆注建造過程的模擬比較簡單，即在開挖之后某一規定的分期內，將澆注部分對應的“空單元”重新賦予襯砌材料的參數后再進行計算。適當改變開挖和澆注建造方案，比較圍巖應力和變形情況，對確定最優施工程序是非常有效的。

對于施工過程的模擬，采用二維有限元計算隧道時，由于將隧道開挖當作平面應變問題來處理，平面應變問題處理的施工實質是將隧道上臺階挖通后再進行錨噴支護，此時由于上臺階開挖產生的位移已經完成（沒有考慮巖體的流變，以下同），錨桿和噴層在開挖下臺階前沒有受力和變形發生。三維有限元可以真實地反映隧道的施工過程中上臺階分段開挖時錨桿地受力和變形，對于上臺階分段開挖時可處理成不同的工況，作為不同的開挖步，分布計算各步所產生的位移

根據位移地變化就可求出錨桿的內力。

4.2支護的模擬

錨桿用桿件有限元模擬，由于錨桿是鋼筋，其軸向承載較大，而抗彎能力相對較弱，故用桿件有限元模擬計算誤差不會太大在分析錨桿與巖體的聯接時，根據實際情況可假定為鉸接，把錨桿軸力作為一種附加荷載施加于相應位置的結點上（尤其是端部錨固的錨桿都是這樣處理的）通過計算兩錨固點之間的相對位移，可得到錨桿內的拉應力，乘以錨桿的斷面面積，則可得到錨固的結點力，對于全長的錨固的錨桿，可將沿錨桿分布的剪應力，按其分布規律化為等效結點力施加于錨桿通過的各結點。考慮錨桿與巖體的共同作用，將錨桿的附加剛度加入總體剛度矩陣。