蔣 偉 張昆昆

（西京學(xué)院，陜西 西安710000）

1 概述

此示例模擬雙隧道開(kāi)挖期間土壤的行為。表面隧道周圍的沉降和塑性區(qū)的寬度很重要。在開(kāi)挖的過(guò)程中必須要預(yù)測(cè)加固所需要的的參數(shù)以及材料自身的因素。

本示例為了計(jì)算地層應(yīng)力并研究變化規(guī)律，采用了2 個(gè)研究布置來(lái)進(jìn)行有限單元法對(duì)雙隧道開(kāi)挖過(guò)程土壤的變化規(guī)律研究。第一個(gè)研究是為開(kāi)挖隧道前土壤的應(yīng)力變化規(guī)律狀態(tài)，第二個(gè)研究計(jì)算的是土壤被挖出后隧道周圍土壤的彈塑性變化研究，這是需要第一步研究作為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行的。

1.1 幾何參數(shù)

幾何結(jié)構(gòu)由寬100m，深60m 的土層結(jié)構(gòu)組成。兩個(gè)隧道的半徑都為5m，第一個(gè)隧道位于對(duì)稱軸上，離表面下15m 處。第二個(gè)隧道位于對(duì)稱軸上，離表面下35m 處。地表以下60m 處，一塊基礎(chǔ)巖石，限制垂直方向的位移，并使用滾珠邊界模擬土壤在橫向的無(wú)限延伸方向。

1.2 土壤參數(shù)

土壤特性楊氏模量，E=12 兆帕，泊松比v=0.495。粘聚力c=130kpa，內(nèi)摩擦角φ=30°使用Drukcker-prager 標(biāo)準(zhǔn)，并且將材料參數(shù)匹配為莫爾- 庫(kù)倫準(zhǔn)則。[7-10]

1.3 加載條件

在地層下邊界使用固定的約束邊界固定位移，抵抗豎向沉降。在左邊界使用對(duì)稱約束，在有邊界使用滾輪約束。在頂部保持土層磨人的自由邊界，同時(shí)保持隧道的自由邊界。并從該區(qū)域清除土壤后的墻。最后添加重力節(jié)點(diǎn)依以考慮重力效果下的應(yīng)力等變化。

圖1 隧道開(kāi)挖示例的尺寸和邊界條件

圖2 隧道開(kāi)挖前土層中的應(yīng)力分布

2 有限元分析

2.1 幾何尺寸建立（圖1）。

2.2 隧道開(kāi)挖前后的應(yīng)力分布（圖2-3）。

圖3 顯示了隧道開(kāi)挖后土層中的應(yīng)力分布情況，土地應(yīng)力從第一布研究開(kāi)始計(jì)算。由上述可以看出雙隧道頂部上方土層的周圍應(yīng)力遠(yuǎn)高于周圍的土層的應(yīng)力，這說(shuō)明了在隧道開(kāi)完后，由于缺少了一部分土壤，整個(gè)幾何體的的應(yīng)力向下轉(zhuǎn)移。整個(gè)幾何體的變形以豎向沉降為主。

2.3 土壤塑性

在第二步研究過(guò)程中，刪除了隧道區(qū)域的幾何體，并增加了土壤塑性特征。而圖4 顯示了土壤的塑性變化過(guò)程。

2.4 水平位移和頂面沉降

由圖5 分析可得出，土體的表面在隧道開(kāi)挖后會(huì)有些許水平位移，水平位移的趨勢(shì)逐漸增大在接近弧長(zhǎng)數(shù)值20 時(shí)增長(zhǎng)趨勢(shì)停止，而當(dāng)弧長(zhǎng)數(shù)值繼續(xù)增大時(shí)水平位移呈逐漸減小的趨勢(shì)直至位移不變。

由圖6 分析可得出，土體的表面在隧道開(kāi)挖后會(huì)出現(xiàn)土壤表面沉降，表面沉降的趨勢(shì)隨著弧長(zhǎng)的逐漸增大而呈曲線上升的趨勢(shì)，在沉降達(dá)到-2.77m 附件時(shí)趨于平緩。

圖3 雙隧道開(kāi)挖后土層中的應(yīng)力分布

圖4 雙隧道開(kāi)挖后附件區(qū)域的塑性變形

圖5 頂面水平位移

圖6 表面沉降

3 結(jié)論

本文針對(duì)所建立的雙隧道開(kāi)挖模型基于comsol 軟件進(jìn)行分析，求解得到了隧洞開(kāi)挖過(guò)程中的土力學(xué)相應(yīng)，以便對(duì)雙隧道開(kāi)挖之間的應(yīng)力變化，以及形變的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文對(duì)隧道開(kāi)挖的模擬是一步完成的，而實(shí)際的巖土工程并非如此。但本文的模擬的方法沒(méi)有考慮到支護(hù)的情況。但是軟件的計(jì)算分析是考慮在線彈性內(nèi)而進(jìn)行的，即一步進(jìn)行開(kāi)挖和分部開(kāi)挖的計(jì)算結(jié)果是一致的。由以上研究結(jié)果可得知，雙隧道開(kāi)挖后，兩個(gè)隧道之間的塑性形變、應(yīng)力變化并沒(méi)有太大的影響。而兩個(gè)隧道開(kāi)挖后，下方隧道上部及下部的塑性形變、應(yīng)力變化要高于周圍土壤的變化。