基于数值模拟的连拱隧道所受应力和塑性区研究_雷生强.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 048基于数值模拟的连拱隧道所受应力和塑性区研究雷生强1，王增利1，杨凌云2(1 中顾国际工程咨询有限公司，四川 成都 610000;2 中国电建集团成都院建设管理部，四川 成都 610000)摘要连拱隧道开挖完成后是否达到工程要求，对此本文结合一实际连拱隧道工程，利用数值模拟对开挖后衬砌的应力、塑性区和岩土体的塑性区进行了研究，研究结果表明:(1)衬砌进口处出现部分应力集中，但是数值控制在工程允许的范围内，不会对工程造成安全隐患;(2)衬砌所受的弯矩分布较为均匀，可知衬砌所受的弯矩分布合理;(3)衬砌没有发生塑性变形，地面以下 10 m 岩土体范围内出现部分塑性区，此部分塑性区是由于隧道开挖扰动造成的。以上的研究可供类似的连拱隧道工程提供参考。关键词连拱隧道;衬砌;应力和弯矩;塑性区中图分类号TV554+16文献标识码A文章编号1004 1184(2023)03 0140 03收稿日期2022 07 26作者简介雷生强(1980 )，男，陕西富平人，高级工程师，主要从事岩土工程与工程地质方面工作。Study of stresses and plastic zones in continuousarch tunnels based on numerical simulationLEI Sheng qiang1，WANG Zeng li1，YANG Ling yun2(1 Zhongguo International Engineering Consulting Co Ltd，Chengdu，Sichuan 610000;2 Construction Management De-partment，Chengdu Institute，CEC，Chengdu 610000，Sichuan)Abstract:This paper investigates the stresses in the lining after excavation，the plastic zone and the plastic zone of thegeotechnical body，using numerical simulations in conjunction with an actual continuous arch tunnel project，the results of thestudy show that:(1)some stress concentrations occur at the lining inlet，but the values are controlled within the engineeringallowable limits and do not pose a safety hazard to the project;(2)The distribution of bending moments to which the lining issubjected is relatively uniform and the distribution of bending moments to which the lining is subjected is known to be reasona-ble;(3)No plastic deformation of the lining occurred，and a partial plastic zone appeared within the geotechnical body 10mbelow ground level，this partial plastic zone was caused by the disturbance of the tunnel excavation The above study can beused as a reference for similar continuous arch tunnel projectsKey words:Continuous arch tunnel;Lining;Stress and bending moments;Plastic zone0前言连拱隧道在交通运输方面发挥重大作用，对此学者们也进行了大量的研究。周海军1对连拱隧道施工技术进行了研究，研究结果表明:中隔墙的施工是连拱隧道施工的重点。陈志坚2利用 FLAC3D 对连拱隧道的开挖进行了研究，研究结果表明:超前小导管的运用对于仰拱的位移控制作用重大。罗静静3对偏压连拱隧道的施工技术进行了研究，研究结果表明:隧道小导洞的支护设计是保障连拱隧道施工成功的重点。张妞等4利用数值模拟对连拱隧道中隔墙进行了研究，研究结果表明:中隔墙的刚度是控制隧道位移的有力途径。茶增云等5利用数值模拟对连拱隧道掌子面进行了研究，研究结果表明:掌子面的空间对于隧道开挖受力有重要影响。傅建红等6对偏压连拱隧道的支护进行了研究，研究结果表明:初支的施工是隧道成功施工的基础。牛海波等7对花岗岩隧道开挖进行了研究，研究结果表明:防排水工程是隧道开挖的重点。张安睿8对高陡仰坡下方隧道施工进行了研究，研究结果表明:实时监测是保证隧道施工的关键。然而以上的研究没有涉及到连拱隧道开挖后的受力、弯矩和塑性区变化，对此本文结合一实际连拱隧道工程，利用MIDAS 对隧道开挖进行了研究。1工程概况该连拱隧道位于四川省成都市，隧道区域岩土体主要由风化土、风化岩和软岩组成，如表 1 所示。表 1岩土体物理力学参数重度/kNm 3体积模量/kNm 3剪切模量/kPa粘聚力/kPa内摩擦角/风化土19 12 72 1051 78 10526 524风化岩27 64 86 1053 81 10534 831软岩37 17 26 1056 31 10545 4380412023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3图 1双洞连拱隧道实体图2数值模拟2 1模型参数如图 1 所示，选择的隧道长 宽 高为 100 m 24 m 50 m，经过反复试算可知，此隧道边界尺寸是满足数值模拟计算边界的要求。风化土、风化岩和软岩均选择三维实体单元，材料均符合 mohr 弹性模型;隧道混凝土选择 C55 砼，此材料满足弹性变形规律，弹性模量 38 1 107kNm 3，泊松比为 0 22，容重为 29 3 kNm 3;盾构钢选择弹性模型，弹性模量 6 35 1011kNm 3，泊松比为 0 23，容重为 54 9kNm 3;锚杆选择弹性模型，弹性模量 5 26 1011kNm 3，泊松比为 0 24，容重为 51 3 kNm 3。2 2隧道及周围岩土体的位移数值模拟计算完成后，隧道衬砌的应力和弯矩分别如图2 和图 3。图 2衬砌 X 方向的应力和弯矩如图 2(a)所示，衬砌所受 X 方向应力主要集中于隧道进口段，最大应力为 154 kPa，因为隧道开挖时，进口段会出现应力集中，因此此区域应力值较大，超过 100 kPa 的衬砌区域约占整个衬砌的 21%，均集中于隧道进口段。衬砌其他区域所受 X 方向的应力均不超过 100 kPa，且此部分区域分布较为均匀。如图 2(b)所示，衬砌所受 X 方向弯矩主要集中于隧道进口段，最大弯矩为 646 kNm，因为隧道开挖时，进口段会出现应力集中，因此此区域弯矩值较大，位于 300 646 kNm的弯矩约占整衬砌的 90%，说明衬砌所受弯矩较为均匀。由图 2 可知，衬砌所受 X 方向应力有部分集中于隧道进口段，导致进口段部分区域出现应力集中，但是数值控制在材料允许的范围内，不会对工程造成安全隐患。另一方面衬砌所受X 方向弯矩在衬砌中的分布较为均匀，没有出现弯矩集中的现象，一定程度上说明衬砌的设计是满足工程要求的。如图 3(a)所示，衬砌所受 XY 方向应力主要集中于隧道进口段，最大应力为 994 kPa，因为隧道开挖时，进口段会出现应力集中，因此此区域应力值较大，超过 800 kPa 的衬砌区域约占整个衬砌的 19%，均集中于隧道进口段。衬砌其他区域所受 XY 方向的应力均不超过 800 kPa，且此部分区域分布较为均匀。如图 3(b)所示，衬砌所受 XY 方向弯矩主要集中于隧道进口段，最大弯矩为 700 kNm，因为隧道开挖时，进口段会出现应力集中，因此此区域弯矩值较大，位于 400 700 kNm的弯矩约占整衬砌的 87%，说明衬砌所受弯矩较为均匀。由图 3 可知，衬砌所受 XY 方向应力有部分集中于隧道进口段，导致进口段部分区域出现应力集中，但是数值控制在材料允许的范围内，不会对工程造成安全隐患。另一方面衬砌所受 XY 方向弯矩在衬砌中的分布较为均匀，没有出现弯矩集中的现象，一定程度上说明衬砌的设计是满足工程要求的。图 3衬砌 XY 方向的应力和弯矩2 3隧道受力分析隧道衬砌和锚杆的受力如图 4 所示。图 4隧道衬砌及周围岩土体塑性区如图 4(a)所示，衬砌在应力作用下发生塑性变形的区域为 0，说明衬砌的受力均控制在弹性变形阶段，均在衬砌材料允许的极限数值范围内。进一步分析隧道开挖后岩土体的塑性区如图 4(b)所示，距地面 10 m 范围内塑性区较为集中，原因是隧道开挖对地面以下 10 m 范围内造成了扰动，因此导致了岩土体发生塑性变形。由图 4 可知，隧道开挖不会对衬砌造成塑性变形，说明衬砌的开挖是满足工程要求的。另一方面隧道开挖对周围岩土体造成了扰动，尤其是地面以下 10 m 范围内，扰动最为明显。3结语本文结合一连拱隧道开挖工程，利用数值模拟软件，并对支护措施 X 和 XY 方向的受力和弯矩、衬砌的塑性区和岩土体的塑性区进行了分析，总结如下:(1)隧道开挖进口处所受的 X 方向和 XY 方向的应力较大，但是均没有超过衬砌材料允许的极限值，说明衬砌的材料选择和设计是满足工程要求的。(2)隧道开挖后所受 X 方向和 XY 方向的弯矩分布较为均匀，没有出现弯矩集中的现象，因此不必考虑衬砌的弯矩破坏。(3)通过对衬砌和隧道周围岩土体的塑性区破坏特征可知，衬砌均处于弹性变形阶段，地面以下 10 m 岩土体出现塑性变形，因此隧道开挖扰动的原因，但是此区域范围不大，因此可忽略此塑性区的影响。(4)数值模拟没有从位移角度进行分析，此方面的研究有待进一步深入。141第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月参考文献 1周海军 岩溶地区无中隔墙连拱隧道施工关键技术J 工程机械与维修 2022(03):216 218 2陈志坚 大跨度浅埋连拱隧道施工过程中的数值模拟研究以夏鹃路连拱隧道为例J 工程技术研究 2022 7(08):21 24 3罗静静 偏压无中隔墙连拱隧道出洞施工技术要点探讨以云南华坪至丽江高速公路陆家湾隧道为例J 工程技术研究2022 7(08):42 45 4张妞，刘辉，刘昶，等 非对称连拱隧道非对称中隔墙施工力学行为研究J 公路 2022 67(03):343 349 5茶增云，肖振江，姜成业，等 无中导连拱隧道施工掌子面纵向合理间距研究J 水利与建筑工程学报 2022 20(01):184 188+214 6傅建红，牛海波，王正军，等 偏压连拱隧道开挖支护危险因素及预防对策研究J 工程技术研究 2022 7(03):134 136 7牛海波，彭军安，边成友，等 花岗岩偏压连拱隧道进洞关键技术探讨J 工程技术研究 2022 7(03):56 58 8张安睿 高边仰坡下方隧洞群开挖施工的安全性分析J 安全与环境工程 2022 29(01):68 76(上接第 84 页)表 2过硫酸盐缓释材料在处理有机污染物方面的应用缓释剂组成活化剂目标污染物缓释时间降解效果实验发现及不足石蜡+过 硫酸钠零价铁苯甲酸BTEX7d污染物可以迅速转化，7d 内污染物的浓度下降了 90%活化剂和过硫酸钠混合制成的缓释剂使用寿命短。分开制作成缓释蜡烛使用时效果较好石蜡+过 硫酸钠Fe2+菲2h在静态实验中，1 mg/L 的菲在两个小时内就可降解 90%缺乏缓释材料动态条件下降解菲的性能研究，未实现过硫酸盐释放与活化同步进行石蜡+过 硫酸钠CuFe/BC金橙90min90min 内金橙的脱色率达到 97%，缓释剂在连续使用两次后仍有 93%的脱色率，CuFe/BC 经过四次循环后依旧可以保持 97%的脱色率只进行了静态修复实验，未进行动态修复实验石蜡+过 硫酸钠未添加1，4 二 恶烷氯化溶剂208d污染物去除率可达 99%，在降解二恶烷方面要优于高锰酸盐缓释剂对比了两种氧化剂缓释材料对同种污染物的降解效果，证明了过硫酸盐氧化剂在去除某些污染物方面具有一定的优势，发现土壤中的某些天然成分可以活化过硫酸盐沸 石/硅 藻土/硅粉+过硫酸钾Fe2+TCE8h8h 内可以降解 99%的 TCE无机材料作粘结剂更绿色环保壳聚糖、尿素+过硫酸钠Fe2+芘24h去除率可达 90 53%选用环境可降解的材料壳聚糖作为外壳材料，对环境更加友好溶胶/明胶+过硫酸钾未添加2，4 二 硝基甲苯3h凝胶缓释剂和明胶缓释剂，在 3h 内对污染物的去除率分别为 78 6%和66 9%过硫酸盐可以在未添加活化剂的情况下通过非自由基途径氧化 2，4 二硝基甲苯4结语过硫酸盐缓释材料作为一种新型、环保的地下水有机污染修复材料，制备方法简单、在地下环境中作用时间长且稳定、无效消耗少，可根据特定污染场地，设计不同结构、组成的过硫酸盐缓释材料，因此极具应用前景。目前，过硫酸盐缓释材料已在实验室研究中确定了各种结合材料的适应性;同时，证实了其在降解有机污染物的方面具有良好的效果。这些研究为过硫酸盐缓释材料在地下水有机污染场地的实际应用中打下了良好的基础，虽已具有清晰的开发路径和广泛的应用前景，但在认识缓释材料的作用机理、优化制备技术、形成工程化应用等方面也存在以下问题:(1)寻找更具环境友好的结合剂用于缓释材料的制备。目前常用的一些合成材料的适用性受到一定的限制，因为它们不具有高度的可生物降解性，可能对生物和环境有害。因此，寻找更加环境友好的结合剂用于缓释材料的制备，并将其应用到实际污染治理工程中对维持生态环境友好具有重要意义。(2)目前对活化过硫酸盐的研究多集中氧化剂与活化剂的分次投加，将活化剂与缓释材料相结合的研究较少。因此，需要开发一种新型结合方式，在保证过硫酸盐缓释材料自身稳定性基础上，为过硫酸盐提供活化条件，进一步提升污染物修复效率，对处理地下水污染具有积极的意义。(3)当前缓释材料的研究大多是在实验室进行的模拟实验，实验条件有限且规模较小，应尽快建立实际场地运行的技术支持，以实现过硫酸盐缓释材料的工程运用。参考文献 1王文丽 以石蜡为载体缓释过硫酸盐在水溶液和砂孔介质的研究D 长沙:湖南大学 2019 2李宝城，艾慧颖，陈晨，等 高锰酸钾凝胶缓释剂的制备及其缓释去除水中三氯乙烯J 环境科学学报 2022(8):216 221 3蒲生彦，唐菁，侯国庆，等 缓释型化学氧化剂在地下水 DNAPLs污染修复中的应用研究进展J 环境化学 2020(3):791 799241第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月