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２００８年第１１期 西部探矿工程 １８１ 大断面隧道施工过程围岩一支护结构大变形分析① 郑元芳 ，李晓东 ，孙宗杰。 （１．重庆大学土木工程学院，重庆４０００４５；２．中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳１１１０００； ３．中铁十五局集团第六工程有限公司，河南洛阳４７１０００） 摘要：结合某大断面隧道可行性研究，采用ＡＤＩＮＡ大变性非线性有限元分析软件，分析隧道动态 施工过程的围岩大变形行为及支护结构力学特性，为大断面隧道设计、施工方案优化提供科学依据。 关键词：大断面隧道；围岩一支护结构；大变形；数值模拟 中图分类号：Ｕ４５６．３文献标识码：Ａ文章编号：１００４－－５７１６（２００８）ｌ１—０１８１—０３ 某城市大断面隧道所处地层主要为侏罗系中统上 沙溪庙组的Ｊ； 紫红色砂质泥岩夹薄层长石石英砂岩、 Ｊ 砂岩夹泥岩、Ｊ 。砂质泥岩层和全新统人工填土，地 层条件较好。隧道开挖内轮廓Ｂ一２６．４６ｍ，开挖高度 Ｈ一１７．２７ｍ，开挖面积约３６５ｍ。。分析断面隧道埋深 ７３ｍ，围岩岩性为砂质泥岩，属Ⅳ级围岩。 喷射混凝土和二次衬砌为均质各向同性弹性材料。 Ｍｏｈｒ－－Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服函数表达式 。 为： ‘ｆＭＣ Ｉ１ ｓｉｎ￣＋１［３（１－－ｓｉｎ ）ｓｉｎ‘ｅ＋ Ｊ－３（３＋ｓｉｎｃｐ）ｃｏｓ‘ｅ］ －３Ｃ （１） ＡＤＩＮＡ软件是美国ＡＤＩＮＡ公司的产品，是基于 式 ｅ一扣 学 ） ‘Ｉ１——ｔ时刻应力张量第一不变量； ‘Ｊ。、 Ｊ。——ｔ时刻应力偏量的第二、第三不变量； Ｃ、 材料的内聚力和内摩擦角。 有限元技术的大型通用分析仿真平台。公司的创始人 以及软件的领导者之一，美国麻省理工学院的Ｋ．Ｊ． Ｂａｔｈｅ教授是国际有限元界著名科学家，出版多部专著 和大量论文，并一直领导ＡＤＩＮＡ系统的技术研发。 ＡＤＩＮＡ的非线性问题稳定求解、多物理场仿真等功能 直处在全球领导地位。ＡＤＩＮＡ与目前的多种有限 元分析软件（如ＡＳＫＡ、ＡＮＳＹＳ、ＳＡＰ２、ＮＯＮＳＡＰ等） 相比，具有功能更强大、求解器更快捷等优点，克服了一 些软件在材料特性方面不能计算大变形，也不能对流体 一元进行分析计算的缺陷，将在土木工程领域得到广泛的 应用 。 １结构分析模型的建立 图１隧道开挖支护示意图 １．１模型及边界条件 有限元结构分析模型的计算范围ｙｚ一１８０ｍ× １６５ｍ。模型初始划分平面４节点单元４３１２，节点 １．３隧道开挖与支护 应用ＡＤＩＮＡ软件分析时，隧道的开挖和支护以单 元死和单元生表示，具有相对的时间效应。隧道开挖和 支护示意图如图１所示。Ａ（ｔｚ ２０．１）、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ（ｔ 一４２２０。模型边界士Ｙ方向位移约束，一ｚ方向底部边界 位移约束。 １．２材料模型 １７０．１）依次开挖，时间间隔Ａｔ 一３０；相应的初期支 岩体材料假设为均质各向同性，不考虑地下水的影 响。岩体材料应力一应变关系为完全弹塑性，采用Ｍｏ— ｈｒ－－Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服准则和大位移分析模式。初期支护 护在开挖后Ａｔｚ一１０进行，即Ａ区对应的初期支护（喷 射混凝土＋锚杆）在ｔｚ３０．１进行，Ｆ区对应的初期支 护（喷射混凝土＋锚杆）在ｔ一１８０．１进行；二次衬砌在ｔ ①重庆市科委自然科学基金计划资助项目（Ｃｓ］、Ｃ，２００６ＢＢ６１５７） 维普资讯 http://www.cqvip.com １８２ 西部探矿工程 ２００８年第１１期 －－３００．１时刻完成。 １．４材料参数 地层材料及初期支护结构的物理、力学参数如表１ 所列。 表１材料物理、力学参数 ２模拟结果分析与讨论 ２．１围岩位移和应力 ２．１．１围岩位移 隧道开挖完成后，隧道拱顶围岩纵向位移最大值为 ２９．５３ｍｍ，隧底上扬位移为２９．５３ｍｍ￣边墙最大水平位 移为４．８ｍｍ。隧道拱顶纵向位移和右边墙水平位移随 时间的变化特征分别如图２～图３所示。 ｇ ｇ 龄 星 相对时间 图２拱顶纵向位移一时间曲线 可以看出，上台阶核心土（Ｅ）开挖后拱顶下沉位移 快速增加，其初期支护没有抑制位移的增长，至下台阶 核心土（Ｆ）初期支护完成后，位移趋于稳定；右导洞开 挖后右边墙水平收敛位移快速增加，至左侧导洞开挖时 位移已增长较慢，核心土的开挖和相应范围的初期支 护，抑制了边墙位移的增长，由于应力调整又使边墙位 移减小，最后稳定在１．２ｍｍ左右。 ２．１．２围岩应力 隧道开挖完成后，围岩最大剪应力最大值为 ８．４３８ＭＰａ，位于右导洞上下台阶分界处，该处围岩已破 坏；围岩最大主应力（ＳＩＧＭＡ—Ｐ ）最大值为 ｇ ｇ 龄 相对时间 图３右边墙水平位移一时间曲线 ０．８２１ＭＰａ，位于隧底。 ２．１．３围岩屈服函数 围岩屈服函数［式（１）］反映了围岩的屈服状态和程 度。隧道开挖完成后，围岩屈服函数最大值为－－６５０９９， 最小值为－－３２３０２８４。 ２．２支护结构应力 ２．２．１初期支护结构应力 初期支护结构最大剪应力最大值为１８．５９ＭＰａ，位 于右导洞上下台阶分界处，该处喷射混凝土已破坏；最 大主应力最大值为０．６２４ＭＰａ，位于左导洞上下台阶分 界处。 右边墙初期支护最大剪应力时间曲线如图４所示， 核心土的开挖使最大剪应力快速增大，二次衬砌后最大 剪应力又迅速减小，最后稳定在７．３３ＭＰａ，该区域喷射 混凝土已剪切破坏。 器 皤 ０ １００ ２００ ３００ ４００ ５００ 相对时间 图４初期支护最大剪应力一时间曲线 ２．２．２二次衬砌应力 （１）二次衬砌结构的最大剪应力最大值为 ６．９００ＭＰａ，位于右导洞上下台阶分界偏上侧与初期支 护接触处，该点剪应力大于混凝土的容许剪应力，二衬 已破坏，但这只是与初期支护的接触点最大值，实际上 沿二次衬砌断面的最大剪应力是不同的。分析过程中， 维普资讯 http://www.cqvip.com
２００８年第１１期 西部探矿工程 １８３ 把二衬厚度划分了２个单元，外侧单元（与喷射混凝土 接触侧）最大剪应力为３．４３ＭＰａ，内侧单元最大剪应力 只有０．０３６ＭＰａ，比外侧单元小了９５．３倍。 （２）二次衬砌结构的最大主应力最大值为 ０．６２４ＭＰａ，位于左导洞上下台阶分界偏上侧。 ３结论与建议 ［１］丁涛，陈平山，刘杰．ＡＤＩＮＡ软件中用户自定义材料初探 ｆＪ］．三峡大学学报：自然科学版，２００４，２６（６）． Ｅｅ］ＡＤＩＮＡ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｇｕｉｄｅ．Ｖｏｌｕｍｅ Ｉ：ＡＤ ＩＮＡ ＡＤ ＩＮＡ Ｒ＆ＤＩｎｃ，２００４． Ｌａｒｇｅ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｍｅ－ ｃｈａｎｉｃｓ ｆｏｒ ａ Ｌｓｒｇｅ－ｃｒｏｓｓ Ｔｕｎｎｅｌ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅ 大断面隧道ＡＤＩＮＡ大变性非线性有限元分析表 明：围岩最大下沉位移为２１．９２ｍｍ，最大收敛位移 ４．６７ｒａｍ，接触范围的开挖对位移有很大的影响。围岩 ＺＨＥＮＧ Ｙｕａｎ－ｆａｎｇ ，ＬＩ Ｘｉａｏ－ｄｏｎｇａ，ＳＵＮ Ｚｏｎｇ－ｊｉｅ３ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， 最大剪应力为８．４３８ＭＰａ，最大主应力为０．８２１ＭＰａ；初 ＣｈｏｎｇＱｉｎｇ ４０００３０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＬＴＤ ｏｆ 期支护结构最大剪应力为１８．５９ＭＰａ，最大主应力为 Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｎｉｎｅｔｅｅｎｔｈ Ｇｒｏｕｐ，Ｌｉａｏｙａｎｇ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １ １ １０００， ０．６２４ＭＰａ；二次衬砌结构横断面不同位置的应力是显 Ｃｈｉａｎ；３．Ｔｈｅ Ｓｉｘｔｈ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＬＴＤ ｏｆ Ｃｈｉａｎ Ｒａｉｌｚｏａｙ Ｆｉｆ－ 著不同的，内侧剪应力只有外侧剪应力的百分之几。研 ｔｅｅｎｔｈ Ｇｒｏｕｐ。Ｌｕｏｙａｎｇ ＨｅＭ ４７１０００，Ｃｈｉｎａ） 究结论为大断面隧道优化设计和施工提供了一定的科 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａ ｌａｒｇｅ ｔｕｎｎｅｌ，ｂｅｈａｖｉｏｒｓ 学依据。 ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｌａｒｇｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ 支护结构断面应力的显著变化，提示我们应对支护 ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔ ａｒｅ ａｎａｌｙｓｅｓ ｉｎ ｃｏｕｒｓｅ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｔｕｎｎｅｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｎ— 结构的断面应力特性进行细部化或局部化研究，同时与 ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ｕｓｉｇｎ ＡＤＩＮＡ ｌａｒｇｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｆｉｎｉｔｅ 用于支护结构分析的杆单元和梁单元进行对比研究，为 ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｃａｎ ｏｆｆｅｒ ｓｏｍｅ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ 非均匀化隧道支护结构设计提供理论依据。 ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｔｕｎｎｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：１ａｒｇｅ ｔｕｎｎｅｌ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｅｋ－ｓｕｐｐｏｒｔ； 参考文献： ｌａｒｇｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ （上接第１８０页） 会管理现代化、城市信息化的需要；对于办公一体化，提 ４工程应用 高工作效率具有推动作用；同时Ｇｅｏ—ｄｉｇｉｔａｌ采用真三 下面通过一个数字地层和地下结构的实例，着重介 维建模技术，可视感较强，适合于专业管理。ＣＤＥＩＳ为 绍一下地下空间与工程的数字化工作在人防系统中的 城市人防工程设计、施工和规划提供更好的服务，同时 应用。 对数字城市的建设，提高城市管理水平具有重要意义。 首先将对象纳入Ｇｅｏ—ｄｉｇｉｔａ１分类和编码体系；其 限于篇幅，本文主要阐述基于数字地下空间与 次根据分类和编码结果，进行数据库组织，录入原始数 工程设计人防信息管理系统和一简单示例。 据；随后根据元数据标准，三维地层基于工程地质钻孔 数据采用三棱柱模型［６］生成；地下结构物的生成采用实 参考文献： 体建模的方法生成；模型生成以后可进行可视化查询、 ［１］朱合华，郑国平，张芳．城市地下空间信息系统及其关键技 空间分析等工作。 术研究ｆＪ］．地下空间，２００４，２４（５）：５８９—５９５． 在Ｇｅｏ—ｄｉｇｉｔａｌ三维模型上，可以方便地进行信息 Ｅ２］钱七虎．民防学Ｉ－Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９６． 的可视化查询，使用鼠标双击图形中的任意图元，则可 ［３］王凤山，周先进，朱万红等．基于ＧＩＳ的人防工程信息管理 系统的设计和实现［Ｊ］．理工大学学报：自然科学版， 弹出与该图元相对应的属性信息；或者拾取属性数据库 ２００４，５（５）：７４－７８． 某一条记录，即可查询到图层中相应图元。这一功能实 Ｅ４３郑国平．城市地下空间信息系统设计及关键技术研究［Ｄ］． 现的基础在于上述数据库模型中图元几何信息和属性 上海：同济大学，２００４：１－９． 信息的对应。将其成果引入城市人防信息管理系统，将 Ｅ５］城市地下管线探测技术书册［＾ ．北京：中国建筑工业出版 推动数字人防工程的高效有序发展。 社，１９９８． ５结论 ［６］叶勇庚．三维数字地层建模及其在隧道工程中的应用ｆＤ］． 基于Ｇｅｏ—ｄｉｇｉｔａｌ建设ＣＤＥＩＳ，是适应当前信息社 上海：同济大学，２００５：１—２Ｏ．
