圆形隧道开挖模拟

圆形隧道开挖模拟

摘要:现在随着科学技术的不断发展,隧道技术发展到了一定的高度,许多城市以开始了城市的地铁建设。本文采用数值分析的方法,着重对圆形隧道在一定的外界条件下,所产生的应力分布,位移变化进行讨论,为实际施工提供一些参考。

关键词:圆形隧道模拟应力位移

随着科技的不断发展,也伴随着人口不断增加、不断密集,城市的规划、开发、建设

日趋重要。由此,逐渐发展起来的城市地下建设也成为了一项重要的课题。目前城市地下隧道技术逐渐发展成熟。从六九年北京第一条地铁建设成功到如今各大主要城市纷纷开始地铁的建设已有40余年。地下隧道建设技术已相当成熟,各项隧道模拟技术也发展起来。

1 建立模型

城市隧道,径跨10m,高10m。开挖隧道参数:弹膜r=25kn∕㎡,粘聚力1.5mPa,内摩擦角50°。泊松比为0.3,均布荷载83800Pa,重度r=25kn∕m³。设计为圆形隧道,向外各取10m的围岩观察其开挖特征。

建立模型: 可以看出建立模型将选取的围岩分为了六个区中间为圆形开挖面,选取的围岩区边长30m,。假设围岩各项同性建模时可以两边对称。便于开挖模拟和应力应变分析。

2 设置条件

建立基本的模型。先进行自由度的分析,该模型主要模拟隧道开挖断面的变形情况,

可以设定二维的y-z平面。在合适位置定点,定义弧线和面,主义所定的面要便于施加边界条件。定义后的曲面应如图所示。

建立模型后,我们开始施加边界条件。隧道开挖需要对两侧以及底面进行边界限制。将两侧沿水平方向限制,底面沿竖直方向限制,顶面不加限制。隧道开挖的主要应力应来至于顶面的均布荷载作用。施加顶部的荷载,可以p

3 模拟分析

在Y轴位移的云图上,圆形开挖隧道的右上角、左侧和右下角出现Y轴的负向位移,且上部的位移量最大;而左上角、右侧和左下角出现Y轴的正向位移,也是顶部最大。并且隧道轴线两侧的实际位移距离是相等的,随着距离的不断增大,围岩的位移量将逐渐减小,当达到五倍开挖直径以外的距离,位移量可以忽略。对于顶部有较大位移的问题,可以在开挖之前打入锚杆加固,控制位移量,开挖后,及时喷射混凝土支护。

进行Y、Z轴的应力模拟,得到云图:

在沿水平方向的应力作用下,在隧道开挖面的左上部和右上部应力集中现象较为明显,最大值达到了67.49mPa。判断应为挤压应力。正上方也出现了应力集中,但值较小,判断为拉张应力。再看竖直方向上的应力作用后。隧道开挖面的两侧应力集中且较大,,达到了243.4mPa,判断为拉张应力,顶部受到压应力的作用,但不够明显。

分析水平和竖直方向上的应力的分布后,不难看出。在水平应力的作用下,隧道的受力较为均匀,集中应力作用不是很大;但在竖直应力的作用下,两侧的应力集中现象较为明显,所以隧道的两侧和顶部应适当进行加固,必要时可打入锚杆,土钉。并且,对于受到较大拉张应力作用的部位可加以人工支护,加固衬砌。

结语

以上是利用建模的方法对圆形隧道的开挖模拟,在现实中开挖面为圆形的隧道有应用,因此对建立的模型进行模拟有一定的使用价值。从模拟的云图上可以很容易的看出,隧道开挖以后的各部分围岩的应力和位移的情况,对开挖以后进行支护工作可以起到一定的帮助,同构模拟,可以清楚的了解到隧道周围围岩的变形情况,因地制宜的进行支护、衬砌,大大节省了建筑原料。本次模拟预设条件是围岩的各项同性,这在实际建设中很难实现。但对于一些围岩条件相对稳定的地区,可以适当采用。模型中的数据,还应参考本地地质资料或现场实测。模拟的数据和图可供施工中参考。

参考文献

[1] 贺少辉.《地下工程》清华大学出版社,北京交通大学出版社.