连拱隧道有限元力学特性分析

连拱隧道有限元力学特性分析

刘宇

（东北大学资源与土木工程学院 辽宁省沈阳市 110819

摘要：PLAXIS—2D/3D程序是由荷兰PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能强大的通用岩土有限元计算软件，现在已广泛应用于各种复杂岩土工程项目的有限元分析中，本文以连拱隧道为依据，进行有限元力学分析。

关键词：PLAXIS、有限元、连拱隧道、数值分析。

1 前言

大型基坑与周边环境相互影响、盾构隧道施工与周边既有建筑物相互作用、大型桩筏基础（桥桩基础）与邻近基坑的相互影响、板桩码头应力变形分析、库水位骤升骤降对坝体稳定性的影响、软土地基固结排水分析、基坑降水渗流分析及完全流固耦合分析、建筑物自由振动及地震荷载作用下的动力分析、边坡开挖及加固后稳定性分析等。

2 连拱隧道开挖方法

本分析的连拱隧道采用台阶法开挖。长台阶法开挖断面小，有利于维持开挖面的稳定，适用范围较全断面法广，一般适用IV级围岩。在上、下两个台阶上，分别进行开挖、支护、运输、通风、排水等作业线，因此台阶长度长。但台阶长度过长，如大于100m时，则增加了支护封闭时间，同时也增加了通风排烟、排水的难度，降低了施工的综合效率。因此长台阶一般在围岩条件相对较好、工期不受控制、无大型机械化作业时选用。本分析中只考虑中隔墙施工后，隧道洞口开挖时围岩的力学特性。

隧道开挖顺序图

①→②→③→④

3 隧道开挖应力与变形分析

左侧上洞室开挖：支护完毕后，洞室开挖后其主要位移集中在洞室的上下侧，位移变形最大的是洞口下侧，位移极值是5.547cm。而对于有效应力主要集中在靠近开挖的中隔墙一侧，最大有效主应力为-5490kN/m³，最大有效平均应力-1620kN/m³。可见中导洞的开挖及中隔墙的施工影响着主洞的支护与开挖。

图1 总位移图 图2 有效应力图 图3 平均有效应力图

右侧上洞室开挖：洞室开挖后，由于中隔墙施工与左侧洞室已开挖完毕，从位移图、有效应力图和平均有效应图中可以看出已完成洞室的位移变形基本对称，位移极值是5.612cm，最大有效主应力为-6000kN/m³，最大有效平均应力-2160kN/m³。

图4 总位移图图5 有效应力图图6 平均有效应力图

左侧下洞室开挖：随着洞室上部结构的施工完毕，给洞室施加横向支撑并开挖下部结构。左侧下洞室开挖后，位移变形主要集中在右侧未开挖部分岩体。上部分的变形呈对称形，变形很小，位移极值是5.633cm。而有效应力主要在中隔墙内部，最大有效主应力为-5810kN/m³，最大有效平均应力-947.9kN/m³。中隔墙的施工非常重要。

图7 总位移图 图8 有效应力图图9 平均有效应力

右侧下洞室开挖：洞室开挖后隧道的位移变形为对称状态，位移量很小，位移极值是5.617cm。有效应力主要集中在中隔墙处，最大有效主应力为-5850kN/m³，最大有效平均应力-986.73kN/m³。

图10 总位移图 图11 有效应力图 图12 平均有效应力图

横支撑撤掉后。位移极值是5.578cm，最大有效主应力为-5860kN/m³，最大有效平均应力-981.23kN/m³。

图13 总位移图 图14 有效应力图 图15 平均有效应力

强度折减后的应力变形分析，位移极值是15.31cm，最大有效主应力为-14380kN/m³，最大有效平均应力-980.83kN/m³。

图16 总位移矢量图 图17 总位移云图 图18 有效应力图

4 总结

（1）要保证中隔墙稳定。在施工过程中，隧道开挖会形成偏压作用。如果对偏压作用不能够很好地进行处理，很有可能造成中隔墙偏移，最终引发塌方事故；或者由于偏移作用的影响，导致局部拉应力过大，造成墙体开裂。

（2）由计算结果还可以得出连拱隧道变形最明显位置在拱顶、拱腰及中墙。因此施工时要特别注意这三个点的施工，现场监控量测应力测点的埋设应根据开挖顺序对相应拱顶、拱腰及中墙进行应力监测。

（3）保证中隔墙顶部填充具有一定的密实度。在隧道两边共同会使用同一个中隔墙，隧道中的中隔墙会受到来自于不同方向力的作用。一旦出现这种情况，中隔墙本身的受力情况就会处于非常复杂的状态。在这种情况下，如果在针对中隔墙顶部进行具体操作的时候，由于回填密实度不够，那么一旦密度不够，在正洞开始施工的时候，就会很容易导致隧道本身的质量。

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