考虑围岩压力影响下某高速公路隧道拱稳定性分析

雷国光 徐 丰 房 昕

(吉林建筑大学土木工程学院，长春 130118)

0 引言

我国山地、丘陵和高原面积约占国土总面积的69%，由于过去建设资金短缺，山区修建的公路中盘山公路居多，盘山公路给人们的生活带来实惠的同时也潜伏了诸多的安全隐患，加之绕行里程较长，占用耕地面积较大，能耗居高不下，造成的经济损失和人员伤亡不容忽视.随着国民经济的飞速发展，公路隧道的优先选择逐渐涌入人们的视野，公路隧道的出现使上述问题迎刃而解.相比盘山公路而言，既保护自然环境，明显缩短了两地之间的距离，避免大坡道，节省交通用时，又避免了滑坡、落石及泥石流等自然灾害的隐患.鉴于以上优势，公路隧道工程在公路建设实践中得到了广泛的应用.

截止到2012年底，我国(不含港澳台地区)公路隧道10 022处，总长度8 052.7km，居世界之首.随着国家对公路建设投资的增加，高等级公路发展迅速，公路隧道建设规模越来越大，数量也越来越多，公路隧道的稳定性研究一直是工程界最为关注的焦点之一，为了保证公路隧道开挖过程安全和长期安全地运营，需要保证隧道围岩不产生塌方以及过大的塑性挤压变形，从而确保围岩和支护结构的长期稳定［1］.

1 ALGOR有限元程序仿真分析

ALGOR是世界上著名的大型通用有限元仿真软件，有限元分析功能颇为强大，能解决常规方法不能解决的工程实际问题，帮助设计人员模拟工程中各种工况条件下的结构构件状况，且能快速、低成本地完成较为安全、可靠的设计项目.该软件不仅可以进行一般性质的线性应力分析、非线性应力分析及线性与非线性的动力学分析，还可以进行瞬态和稳态的热传导分析、二维和三维的稳态及瞬态的流体流动分析、电场分析以及非线性机械运动分析等.用ALGOR有限元软件进行分析主要流程如下:

(1)它具有较强的图形输入、输出及自动数据处理的功能，并且留有与其他CAD软件的接口，有助于几何结构复杂的有限元模型的建立.其强大的自动网格划分器可以帮助我们在最短的时间内划分出最有效、最优质的网格，提高应力求解效果［2］;

(2)有限元软件的分析计算过程、计算模型建立完成以后，对单元进行定义、输入材料参数，使其由一个CAD图形转化为有限元模型，并对边界条件做相应的处理［3］;

(3)后处理阶段，即查看计算结果，也是进行有限元仿真模拟分析的主要目的所在.

2 有限元模型的建立

建立有限元模型力求使计算模型简单、准确无误，既保证计算精度，又节约计算时间.模型各项参数为:某高速公路两车道隧道设计时速为120km/h，建筑限界最小宽度取11.5m，建筑限界高度取5m.该隧道为深埋隧道，围岩级别为Ⅲ类S=3，岩石重度为γ=23kN/m3，初期支护喷射混凝土喷层厚度为100mm，二次衬砌的混凝土厚度为350mm，隧道开挖跨度为B=12m，直墙部分高5.5m，岩石的弹性模量为E=8.66GPa，泊松比 μ =0.28.

2.1 单位修改、网格划分及参数设置

修改单位系统:选择Toos→Units命令，将单位系统修改为Custom:力N，长度m，质量kg，单击OK.考虑到衬砌沿长度方向尺寸远大于横截面尺寸，且横截面形状和尺寸沿长度方向不变，故将其看做平面应变问题对待，参考日本青函隧道设计理念.划分网格并设置参数，采用四边形网格进行划分，选中Creat 2D Mesh命令，输入尺寸7.62mm，角度值为9°，生成二维平面网格.设置材料密度为 ρ=2.3kg/m3，弹性模量 E=8.66GPa，材料的泊松比μ=0.28.设置单元类型为二维平面单元，选中Part 1→编辑→单元类型→二维.单元网格划分如图1.

图1 隧道衬砌结构

图2 边界约束设置

2.2 荷载和边界条件

对模型施加荷载和约束，将直墙拱底与直墙处施加固定约束.根据《公路隧道设计手册》得出竖向围岩松动压力:

其中，s为公路隧道围岩分级;R为围岩天然重度标准值，kg/m3;Bm为隧道毛洞跨度，m.一般可取设计开挖跨度+2×(超挖量+预留变形量);λ为松散荷载的侧压力系数［4］，按照表1确定取0.15.带入数值后得出隧道围岩的竖向均布压力q=70.38kN/m2，水平压力e=10.56kN/m2，并施加拱顶沿负Z方向的均布荷载70.38kN/m2，左右两侧直墙分别沿Y正方向和负方向的均布荷载10.56kN/m2，如图2～图4所示.

图3 隧道衬砌结构边界约束

图4 结构加载

表1 隧道侧压力系数

3 计算结果

保存模型:选择File→Save命令.开始求解，Autodesk Simulation会自动进行求解.在荷载作用下衬砌结构的位移分布如图5所示，位移向量图显示竖向荷载作用下竖向挠度较大，直墙在水平方向的变形较小;围岩压力影响下的支护结构应力云图如图6所示，图中显示拱脚处的应力最大，施工中需要做好节点加强处理，尽量避免应力集中现象.

图5 位移向量

图6 反作用矢量分布

定义应力分类线，选中12个点，坐标:#1(0，－0.208 7，0.108 3)，#2(0，－0.208 7，0.087 3)，#3(0，－0.208 7，0.066 4)，#4(0，－0.208 7，0.045 5)，#5(0，－0.208 7，0.024 5)，#6(0，－0.208 7，0.003 6)，#7(0，－0.208 7，－0.017 4)，#8(0，－0.208 7，－0.038 3)，#9(0，－0.208 7，－0.059 2)，#10(0，－0.208 7，－0.080 2)，#11(0，－0.208 7，－0.101 1)，#12(0，－0.208 7，－0.122).线性化结果为:局部应力强度 Pm 为17.771 5Pa，一次+二次应力强度Pm+Pb为26.008 8Pa.如图7、图8所示.各应力分类点的应力输出见表2.

图7 应力坐标下细部点分布

表2 应力分类线各点应力输出

4 结论

(1)结构变形以竖向位移为主，最大竖向位移由以上数值分析可知，在拱顶位置竖向位移最大，最大值1.34×10－6m;其次是拱圈位置，拱圈是结构承受垂直围岩压力的主要部分.为防止拱顶位置变形过大，施工中应进行加厚处理，抵抗过大的竖向变形，直墙主要承受水平围岩压力，其位移远小于拱顶，可见，竖向围岩压力是影响结构变形的主要因素;

(2)拱顶端部和直墙接触处的拱脚位置应力最大，最大值1.2MPa，容易发生破坏，产生应力集中现象，在施工过程中为减小应力集中带来的影响，需要重点关注节点处的加强处理，可以考虑截面突变的转角处做成圆滑过度曲线;

(3)通过图8的应力线性化结果可知，直墙上不同的12个坐标点的应力呈现线性变化，距离拱脚越近的点应力强度越大，其他细部点的应力强度变化有限，说明直墙体上点应力强度随高度影响较小.

［1］任长吉.公路隧道围岩稳定性分析及支护对策研究［D］.长春:吉林大学，2008.

［2］寇晓东，唐 可，田彩军.ALGOR结构分析高级教程［M］.北京:清华大学出版社，2008:1－8.

［3］许玉堂，邱振林，张宝华.用Algor有限元程序进行码头的受力分析［J］.水道港口，2002，24(2):81－84.

［4］廖朝华，郭小红.公路隧道设计手册［M］.北京:人民交通出版社，2012:145－148.