基于ＡＤＩＮＡ的软岩隧道开挖模拟分析

陶　琦　冯　研

摘要：文章结合承德遵小铁路张杖子山段软弱围岩工程实例，应用ADINA有限元分析软件进行建模分析，得出了该工程软岩支护的模拟效果，并由此得出指导工程实践的相关结论。

关键词：软岩隧道；ADINA分析；隧道支护；数值模拟

中图分类号：TU470文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）08-0171-02

一、工程概况

遵小铁路张杖子隧道段位于承德市宽城县内，全长2571m。该地区处于低山丘陵区，绝对标高430～547m，自然横坡20°～30°。隧道最大埋深约为100m，隧道进口里程为DK41+336；出口里程为DK43+907。出口山坡植被发育。隧道洞身围岩Ⅳ～Ⅴ级，详见表1：

张杖子隧道位于片麻岩地层中，片麻岩节理裂隙发育，部分地段岩体中裂隙水较发育，工程地质条件一般。在隧道出口处DK43+883左侧约46m处有一正开采的矿井，矿道弯曲大致向隧道方向，现矿底标高与隧道标高大约相当。

二、软岩条件开挖建模

隧道模型几何尺寸为隧道净高6.25m，净宽为5.7m。在模型中其岩体的尺寸为长80m，宽50m。模型采用双层支护加锚杆，第一层支护的厚度为0.45m，第二层支护的厚度为0.20m，锚杆的长度为3.5m。

在ADINA界面中首先建立各个节点，并把四个相邻的节点建立成为面，从而建立了主断面上的平面应变模型。这里模型的建立要以隧道实际情况为根据，将各岩层及其支护、锚杆基本准确地描绘出来，如图1所示。

图1 断面几何模型图

在原有数据基础上，利用试验测试结果和从工程项目中获得的地质资料，进行了一定程度的简化，具体结果见表2：

根据所建立的计算模型的特点，采用标准的四节点矩形单元对计算区域离散化。根据以上分析，在隧道开挖区域内，单元应划分的细一些，而对于受采动影响较小的其它区域，网格可划分的大一点，网格划分后的几何模型图如图2所示：

图2 网格划分后的几何模型图

三、模型数据处理分析

求解之后，通过后处理，可以获得岩层稳定后的隧道周边变形位移和拱顶下沉位移云图及应力云图如下所示：

图3 围岩稳定后下沉云图

图4 围岩稳定后变形云图

图5 围岩稳定后第一主应力云图

图6 围岩稳定后第二主应力云图

四、结语

经过对张杖子山隧道软弱围岩的ADINA分析，得出其拱顶下沉曲线的实际值与模拟值对比图，如图7所示，可见模拟可以体现其总体变形趋势。对于洞口浅埋段Ⅴ类软岩，围岩收敛变形达到基本稳定时间较长，初始围岩净空变形速率较大，因此应把初期的重点放在前期阶段。在Ⅳ类围岩则应在开挖初期施作一薄层柔性支护，并视围岩变形的增长情况给予适时支护。

图7 拱顶下沉时间—位移曲线对比图

参考文献

[1]张庆贺，等．地下工程[M]．同济大学出版社，2005，（2）．

[2]张彬，郝凤山．地下建筑施工[M]．人民教育出版社，2003．

[3]张新培．建筑结构可靠度分析与设计[M]．北京科学出版社，2001．

[4]谷兆棋，等．地下洞室工程[M]．清华大学出版社，1994．

[5]张向东，张树光．隧道力学[M]．香港天马图书有限公司，2000．

[6]陈虬，刘先斌．随机有限元法及其工程应用[M]．西南交通大学出版社，1993．

作者简介：陶琦（1976－），男，辽宁阜新人，中铁十九局集团第二工程有限公司工程师，硕士，研究方向：隧道施工；冯研（1983－），男，辽宁阜新人，四川建筑职业技术学院硕士研究生，研究方向：隧道桥梁。