双层黄土公路隧道各施工方案的模拟与研究

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从 应力 云 图上判 断 ， 方案 二要 优 于方 案一 ． 尤其 是 在结 构受 拉方 面 ， 方案 二 的应力 要小 很 多 ， 这使 得 这种 设 计 和施 工方案 更 加合 理 、 济 、 经 安全 ．
２ 应力 曲线 图 比较 及其 分析 ）
图 ８和图 ９分 别绘 出 了这两 种方 案在 整 个开 挖过 程 中的应 力 变化 曲线 ．
Ｆｉ ｇ．７ Ｔｈ ｈ ｒ ｒｎ ｉ ｇ ｓ ｒ ｓ ｆ Ｎｏ １ ｓ ｃ ｉ ｎ， ｅ ｈ ｄ ２ ｅ ｔ ｉｄ ｇ ｉ ｄ ｎ ｔ ｅ ｓｏ ． ｅ ｔｏ Ｍ ｔ ｏ
图 ６ 方 案 １（ Ｉ号截 面） 第三 主应 力
Ｆ ｇ．６ Ｔｈ ｈ ｒ ｒｎｄ ｎ ｔ ｅ ｓｏ ． ｅ ｔ ｎ，Ｍ ｅ ｈ ｄ １ ｉ ｅ ｔ ｉｄ ｇ ｉ ｉ ｇ ｓ ｒ ｓ ｆ Ｎｏ １ ｓ ｃ ｉ ｏ ｔ ｏ
＿ ＿ｌ 圈 ＿一圈
∞
图 ４ 方案 １（ １号 截 面） 第一主应 力
Ｆｉ ．４ Ｔｈ ｉｓ ｒｎ ｉ ｔ ｅ ｓ ｏ ． ｅ ｔ ｎ ｏ ｅ ｈ ｄ １ ｇ ｅ ｆｒ ｔｇ ｉ ｄ ｎｇ ｓ ｒ ｓ ｆＮｏ １ ｓ ｃ ｉ ｆＭ ｔ ｏ ｏ
图 ５ 方案 ２（ １号截 面） 第一 主应 力
图 ８ 方 案 １拉 、 应 力 曲 线 压
Ｆｉ ｇ．８ Ｔｅ ｉ ｎ ａ ｄ ｃ ｍ ｐ ｅ ｓｏ ｔ ｅ ｓ ｃ ｖｅ ， ｅ ｈ ｄ １ ｎｓｏ ｎ ｏ ｒ ｓ ｉ ｎ ｓ ｒ ｓ ｕｒ ｓ Ｍ ｔ ｏ
图 ９ 方 案 ２拉 、 应 力 曲 线 压
Ｆ ｇ Ｔｅ ｉ ｎ ａ ｄ ｃ ｍ ｐ ｅ ｓｏ ｔ ｅ ｓ ｃ ｒ ｅ ， ｅ ｈ ｄ ２ ｉ ．９ ｎｓｏ ｎ ｏ ｒｓ ｉｎ ｓｒ ｓ ｕ ｖ ｓ Ｍ ｔ ｏ
摘
要： 以弹 塑 性 有 限元 法 为 基 础 ， 用 大 型 的仿 真模 拟 软 件 （ 利 ＡＮＳ ＹＳ中 的 土 木 模 块 ） 分 析 了 该 隧 道 在 长 台 ，
阶施 工 方 法 和 分 部 开 挖 施 工 方 法 中各 施 工 阶 段 围 岩 和 衬 砌 在 空 间 的受 力 状 态 ， 形 状 态 ， 虑 材 料 的 非 线 性 变 考 特征 ， 用 Ｄ 采 Ｐ屈 服 准 则 ， 对 这 些 结 果 加 以 分 析 和 总 结 ， 以 后 的 具 体 的 结 构 设 计 和 施 工 提 供 有 力 的 理 论 支 并 为
新 的形 式有 其特 有 的优点 ， 其在 立交 和洞 口地形 比较 狭窄 的情 况下 能够 比较 好布 置上 下行 线路 ． 于 尤 对
这 种高 跨 比较大 的双层 隧道 ， 边墙 是其 薄 弱部 分 ， 常 隧 道边 墙 的应 力 较 大 ， 以在 设 计 和施 工 时 要 求 通 所
支 护一 定要 到位 ， 防止其 变形 过 大造 成隧 道塌 方 ， 响 其 后续 工 作． 影 目前 在 国 内外修 建 的双 层 隧道 还 较 少 ， 检索 知道 ， 国外 ， 经 在 巴塞 罗 纳最 长 的地铁 ９号 线 就 是采 用 盾 构 法施 工 的双 层地 铁 隧 道＿ ． 国内 ， ＿ 在 １ ］ 深 圳有 一条 采用 台阶箱 型法 施工 单 洞双层 地 铁隧 道Ｌ ， ２ 在上 海也 有一 条 已建成 的双 层越 江公 路 隧道 ． ］ ］
从 应力 图来 看 ， 最大 拉应 力最 理想 的曲线 是方 案 ２的曲线 （ 即分 部开 挖法 ） 而 方 案一在 开 挖过程 中 ， 有一 个 突变 ； 最大 压应 力来 说 ， 案 一 的压 应 力 一 直在 １ ａ上下 浮 动 ， 案 二 的压 应 力 在 时 间步 就 方 ５ ＭＰ 方 为 ４（ ０ 开始 落 底 ） ， 时 开始增 大 到 １ ａ 并 在其 上下 浮动 ， 之前 隧道 开挖 过程 中压应 力 是 非 常小 的 ， ５ＭＰ ， 而 从施 工 安全 的角 度 考虑 ， 案二更 加 合理 和安 全． 方
２ 其绝 对值 相差 ０ １ ａ并 且最 大值 发生 在横 隔板 下部 ． ， ．９Ｍｐ ，
２０ ０
西
安
建
筑
科
技
大
学
学
报（ 自然 科 学 版 ）
第 ４ 卷 ３
Ｉ ＿ Ｉ ｌ
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量
图 ７ 方案 ２ １号截 面） （ 第三主 应 力
单 元 ，０３４个 节 点 ， ３ ２ 计算 所使 用 的是 ＡＮＳ ＹＳ所 提 供 的
Ｓ ｌ４ ｏｉ ５三 维 ８节点 等参 单元 ． ｄ 计 算 模 型 约 束 条 件 为 左 右 两 侧 水 平 约 束 （ Ｘ 方 即
向 ）前 后 两侧 也施 加 水 平 方 向 （ ｙ方 向） 下 侧 施 加 全 ， 即 ， 约束 ， 侧为 自由端 ， 上 也就是 地 面． 加 荷载 为重 力荷 载 ， 施
２２ １ 隧道 开挖模 拟． ． ．
Ｔａ ． Ｔｈ ａ ａ ｅ ｅ ｓｏ ｔ ａ ｕ ａ ｄ ｍａ ｅ ｉ ｌ ｂ１ ｅ ｐ ｒ ｍ ｔ ｒ ｆｓ ｒ ｔ ｍ ｎ ｔ ｒ ａ
本 文利 用 大型 的商业 软件 （ ｓ ｓ对 这种 双 层 隧 Ａｎ ｙ ） 道结构 分 别进行 了长 台 阶开 挖 施工 方 法 ， 如 图 ２ 以 （ ， 后称 之为方 案一 ） 和分部 开挖 施工 方法 ， 如图 ３ 以 ］（ ， 后 称之 为方 案二 ） ．
２ １ 年 ４月 ０１
Ａｐ ． ２ １ ｒ ０ １
双 层 黄 土 公 路 隧道 各 施 工方 案 的模 拟 与研 究
牛 泽 林 。谢 永利 ， ， 宋战 平
（ ． 安 大 学 公 路 学 院 ， 西 西 安 ７０ ６ ；． 安 建 筑 科 技 大 学 土 木 工 程 学 院 ， 西 西 安 ７ ０ ５ ） １长 陕 １０４２西 陕 １ ０ ５
第 ２期
牛 泽林 等 ： 层 黄 土 公 路 隧道 各 施 工 方 案 的模 拟 与研 究 双
表 １ 地 层 和 材料 参数
１９ ９
根据 ＡＮＳ Ｓ软 件 的规 定 ］ 具 体 为 施 加 向 上 加 速 Ｙ ，
度． 用 的材料 参数 如表 １ 示． 采 所
２ ２ 开 挖模 拟及 结果 分析 ．
它 们 的主要 施 工方 法也 都是 盾构 法 ， 而对 于在 黄 土地 区修建 双层 隧道 目前 世 界上 还没 有 ， 论 是其结 构 无
设计 、 开挖 方案 、 隧道衬 砌 支护 和相关 施 工经 验都 需要 进行 深入 的分 析 和总结 ． 此 ， 为 并结合 实 际情 况选 择 兰 州市 南 山双层 公路 隧 道 的初 步 设计 方 案进 行 分 析 比 较和研 究 ， 一步 分析 双层 隧道 的受 力 与 变形 特 性． 进 此处 由于 地形 问题 ， 此做 一孔 四车道 隧道 有 困难 ， 在 做两 孔 分 离式 隧道 场地 展 不开 ， 做连 拱 式施 工有 难 度 ， 道 出 口就 隧 要跨 越 雷坛河 河 谷等 原 因 ， 故计 划 采用 双层 隧道 方案 ．
２ ２２ 结果 分析 比较 ．
１ 各பைடு நூலகம் 法应 力 比较及 其分 析 ） 理性 ， 绘出 了第一 和第三 主应 力在 一 －２ １ 并 ４ｍ（ 号截 面 ， 即最不利截 面） 处的横截 面应 力云 图， 如下 图．
当隧道施工完毕 后（ 即最后一个 开挖 时间 步完成 后 ）从 应力 和位 移 等几个 方 面来讨论 开 挖方案 的合 ，
３ 结 论
通 过 大量计 算 得到 了关 键截 面 的应力 云 图和 整个 开 挖 过程 中拉 、 应 力 曲线 图． 根 据 拉 、 压 并 压应 力 云 图研 究分 析 ， 建议 兰州 市 南 山伏 龙 平双 层公 路 隧道 的具 体施 工 方案 为分 部开挖 法 （ 即方 案 － ） 同时根 ． 据 应力 图分 析 ， 了确保 安 全施 工 ， 为 在开 挖过 程 中做好 洞 内 的收敛 量测 工作 ， 到信 息化施 工 ， 做 以便 对 开
挖 步骤 和 方法作 有 效 的调 整 ， 以便能 够有 效地 控 制 围岩变 形． 过 分析 可得 以下 几点 结论 ： 通 （） 议 兰州 市南 山伏 龙平 双层 公路 隧道 的具 体施 工 方案 为 分部 开挖 法 （ １建 即方案 －） ；
（ ）隧道 在施 工过 程 中， ２ 拉应 力最 大值 出现 在开 挖 时 间 步 的第 五 步 ， 即掌 子 面距 洞 门距 离不 长 ， 其 值 为 ５ ３ＭＰ ． 隧道施 工 到此段 时 ， 注意应 力 监控 量测 和 型钢加 固 ； ． ａ 当 应 （） ３ 隧道 在施 工过 程 中 ， 应力 最 大值 出现 在开 挖时 间步 的第 五 十步 ， 压 其值 为 １ ． ３ＭＰ ． ５ ０ ａ 当隧道施 工到此 段 时 ， 加 强 收敛量 测 和提 高支 护参 数 ； 应 （ ）从应 力 图还 可 以看 出 ， 双层 隧道 的上层 隧道 的应 力值 较下 层 隧道 的应 力 值要 大 ， 加强 上 层 ４ 此 应 隧道 拱 部 的围岩 变形 量测 和初 期支 护 的施 做 ；
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稻 ∞
图 ２ 长 台阶 开挖 示意 图
Ｆｉ ． ２ Ｔｈｅ ｓ ｅ ｃ ｐ ｏ ｏ — ｔ ｐ ｅ ａ ａ ｉ ｎ ｇ ｋ ｔ ｈ ｍａ ｆｌ ｎｇ ｓ ｅ ｘｃ ｖ ｔｏ
图 ３ 开挖 步骤 及 支护 示意 图
Ｆｉ ． ３ Ｔｈ ｋ ｔ ｈ ｍ ａ ｆｅ ｃ ｖ ｔｏ ｔ ｐ ａ ｕ ｐ ｒ ｇ ｅ ｓ ｅ ｃ ｐ ｏ ｘ ａ ａ ｉ ｎ ｓ ｅ ｎｄ ｓ ｐ ｏ ｔ
第４卷 ３
第 ２期
西 建 科 技 学 报（然 学 ） 安 筑 大 学 自 科 版
Ｊ Ｘｉ ｎ Ｕｎ ｖ ｆＡｒ ｈ ． ｉ．ｏ ｃ ．＆ Ｔｅ ｈ （ ｔｒｌ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） ａ ｃ ． Ｎａｕａ Ｓ ｉ ｃ ｄｔ ｎ ｅ ｉ
Ｖｏ１ ３ Ｎ ｏ ．４ ．２
２ 双 层 隧 道 的 三维 有 限元 分 析
２ １ 有 限元模 型建 立及 网格 划分 ．
计 算采 用大 型 有 限元 软 件 ＡＮＳ ＹＳ进 行 三 维 开挖 分 析 ［ ， 算模 型 尺寸 为长 １ ０ｍ， １ ０ｍ， １ ０ｍ 的三 ４计 ］ ５ 宽 ０ 高 ０ 维 模 型 ， 过优 化 后 的网格 ［ 如 图 １所示 ， 有 ２ ８ 经 ５ ］ 共 ９０ ０个
持．
关 键 词 ： 塑性 ； 限 元 分 析 ； 弹 有 围岩 ； 砌 衬 中 图 分 类 号 ： ５ ． Ｕ４ ５ １ 文 献标 志 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ６７ ３ （ ０ １ ０—１ ８０ １ ０ —９０ ２ １ ）２０ ９—４
１ 工 程 概 述
随 着经 济技 术 的发展 ， 道 的断 面形式 越来 越 多 ， 隧 功能 也越 来 越 强． 层 隧道 作 为 地 下结 构 的一 种 双
图 １ 有 限元 模 型 网格
Ｆｉ ． ｇ １ Ｆｉ ｉｅ ｅ ｅ ｎ ｓ ｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔ ｍｅ ｈ
收 稿 日期 ：０ ００ —２ ２ １—３２
修 改 稿 日期 ：０ １０—８ ２ １ —３１
作 者 简 介 ： 泽 林 （ ９ ８） 甘 肃静 宁 人 ， 师 ， 士 研究 生 ， 事 隧 道 与地 下 结 构设 计 和 安 全施 工 研究 牛 １ ７ 一， 讲 博 从
Ｆｉ． ５ Ｔｈ ｉｓ ｒｎ ｉｇ ｓｒ ｓｏ ． ｅ ｔｏ ｏ ｔ ｏ ｇ ｅｆｒｔｇ ｉｄｎ ｔｅ ｓ ｒＮｏ １ ｓｃ ｉｎ ｆＭｅ ｈ ｄ ２
此 １ 截 面第一 主应 力 （ 号 即最 大拉 应力 ） ｋ 小 到大 ， 次 为分 部 开挖 法 、 台阶 法． ｂ最 依 长 方案 １与 方案 ２ 其 相差 １ ０ ７ＭＰ ， ， ． ８ ａ 并且 它们 的最大值 发 生在横 隔板 中下 部． 此 １ 截 面第 三主应 力 （ 号 即最 大压 应力 ） 从最 小 到大 ， 次 为长 台阶 法 、 依 分部 开 挖 法． 案 １与 方案 方