基于ANSYS的长距离小净距重叠盾构隧道施工模拟研究

引言

铁路工程隧道建设中，由于小净距隧道净距小，隧道围岩稳定性受中夹岩柱稳定的影响较大，选择合理的净距，可以有效的加固中夹岩柱保证其稳定性。因为影响小净距隧道合理净距的因素较多，通过数值计算法可以将围岩的应力、变形、塑性区分布等情况精确的计算出来，通过有限元模拟和强度折减原理二者的有效结合，并根据不同净距中安全系数的突变，从而科学的确定小净距隧道的合理净距。

1　有限元计算方法

1.1弹塑性破坏准则。文章按照弹塑性材料考虑并模拟中岩体，利用岩土工程中经常使用的D—P屈服准则，将库仑准则在角点处导数不联系的问题进行有效的解决，更加方便的同库仑准则相结合，通过计算公式，从而科学的确定参数。

1.2强度折减法原理。强度折减法指的是“将岩石或土体的强度参数粘聚力和内摩擦角值同时除以一个折减系数，得到一组新的粘聚力值和内摩擦角值，从而使土体中的实际剪力强度和实际抗剪力产生有效的联系，同时将岩石或土体强度参数逐渐降低逐次输入计算直到其达到临界破坏状态为止。”通过相应的程序进行计算从而得到应变突变地带，对相应的折减系数进行确定，得到的折减系数F也就是安全系数。经过近年来的不断实践，强度折减法已经日渐成熟，在边坡稳定分析中广泛应用。在边坡稳定性分析中应用强度折减法的基础上，有的研究学者提出了用强度折减法对小净距隧道的合理净距进行准确的确定，通过小净距隧道中间岩柱的塑性区贯通情况，再结合强度折减法计算，从而实现对合理净距的精确确定。

1.3合理净距确定的有效方法。在强度折减法应用过程中，如果小净距隧道的中夹岩柱塑性区得到了贯通，并且塑性应变值较大，这时中夹岩柱即将处于破坏状态，这时候将折减系数F.按照1.0来取值计算不收敛确定最合理的净距并不科学合理。原因是仅靠外界加固作用，对处于临界破坏状态也没有承载能力的中夹岩柱来说，自身的承载能力没有充分发挥，势必会极大的造成工程成本的增加，并且夹岩柱的稳定性也难以得到有效保证。在当前的公路隧道新奥法施工中，喷锚柔性支护体系经常被采用，能使围岩自身的承能力最大限度地发挥出来。通过一系列实践研究知道，如果净距小到隧道的安全系数并发生突变时，这时可以通过有限元方法来计算，得出中夹岩柱塑性区连通的临界状态和塑性应变突变的状态。

2　工程概况

某隧道围岩类别分别为三级、四级和五级围岩，其中三级围岩条件埋深5.65米，四级围岩条件埋深分别为4.9米、9.7米、13.4米，五级围岩条件埋深分别是9.8米、27.5米。因为该隧道涉及围岩类别多，本文对四级围岩下埋深为13.4米的隧道进行模拟，净距使用0.2B—1B，B是单洞开挖的最大宽度，并将0.05B作为级差进行递增，通过勘查可以获取数值模拟计算参数。根据模拟计算的相关参数，将该隧道工程当做平面应变问题，建立二维有限元分析模型，通过有限元计算方法和强度折减法计算，可以求出极限平衡状态下小净距隧道的净距，以0.2B为基础，分别向上递加0.05B,即0.2B、0.25B、0.3B、0.35B、0.4B的围岩塑性区分布图。从分布图中可以显示净距为0.2B时，中夹岩柱塑性区贯通，将整个岩柱布满。隧道两侧边缘的泥岩处塑性区从上到下也依次贯通，出现了剪切性的破坏，这说明中夹岩柱根本没有发挥应有的支撑作用，好比是在围岩中挖掘了一个相当于两个隧道跨度和净距总和的超大型跨度的隧道。当净距为0.35B时中夹岩柱塑性区部分处于贯通状态，当净距为0.4B时，显示中夹岩柱塑性区处于无连通状态，岩柱中塑性区面积明显处于减小状态，塑性区由连通转为不连通，所以就把净距在0.4B左右当做一个临界状态。

从另一方面来说，因为隧道出现塑性区是当围岩达到极限平衡时根据强度折减法计算得出的，单凭塑性区是否贯通进行最小净距临界状态的确定，有时是不完全准确的，这一方法也相对保守了一些。重要的一个依据是，要通过强度折减法的计算，看安全系数在0.4B时是否发生了突变现象，从而对隧道的合理净距进行一个有效的更为准确的判断。通过围岩塑性区分布图观察可以知道，安全系数明显有突变的区域是净距处于0.35B至0.4B之间时，基本符合依据塑性区是否贯通来确定的最小净距，还可以看出从隧道0.4B净距开始，往后隧道两拱顶的位移变化变得相对平缓，由此可以断定0.4B的净距是一个临界状态，也就可以确定此时的净距就是小净距隧道的合理净距。

3　结语

通过某隧道工程采用二维弹塑性有限元方法，对隧道不同净距下小净距隧道围岩的位移、应力、塑性区进行模拟分析，知道利用强度折减法确定小净距隧道合理净距时，随着净距的不断增加，隧道中间岩柱塑性区是呈现逐渐减小的状态，和其相对应的安全系数也会在某一处净距发生突变，就可以确定此处的净距为小净距隧道的合理净距。本隧道工程实例确定的0.4B的合理净距，也正好和传统经验中四级围岩的净距控制在0.35B和0.45B之间的要求相符合。另一方面，利用强度折减有限元法计算得出的隧道围岩安全系数，既使大于1.0，也不能证明隧道一定在稳定状态，但可以将强度折减法计算的安全系数，作为隧道工程一个定量指标和分析的依据，更好的用于指导隧道工程的施工实践中去，为隧道施工提供科学的参考依据。