FLAC-2D在双连拱隧道施工过程中的应用
摘要:在扼要阐述FLAC-2D的基础上,结合工程实例,以某双连拱隧道为工程背景,借助于应用软件FLAC-2D对施工过程进行了比较精确的数值分析。分析计算结果为实际施工提供了理论指导和参考。
Abstract: Based on a brief description of the FLAC-2D, combined with practical work, in the engineering context of the double-arch tunnel, accurate numerical analysis of construction process is performed by means of application of software FLAC-2D. Analysis and calculation results provide the theoretical guidance and reference to the actual construction.
关键词: 双连拱隧道;FLAC-2D;数值分析
Key words: double-arch tunnel;FLAC-2D;numerical analysis
中图分类号:TU745.3 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)05-0043-02
0引言
近些年来,我国高速公路建设发展异常迅猛。许多路段穿插在崇山峻岭之间,因此隧道构造物不可避免相应增多。由于受地形限制和设计要求,有些地段布线十分困难,而采用双连拱隧道的形式是解决此种问题的一种有效手段。相比分离式隧道,双连拱隧道有以下优点:避免了洞口分幅路基,减少了占地,与洞外路线连接方便;在傍山或土垭口地形利于洞口位置选择,并可减少隧道长度;避免了隧道洞口特大桥分幅;可保持路线线形流畅,且断面造型美观;城市中双连拱隧道可以大大减少拆迁,降低工程费用[1]。
1快速拉格朗日法(Fast Lagrangian Analysis of Continua,简称FLAC法)
近几年发展起来的快速拉格朗日法(Fast Lagrangian Analysis of Continua,简称FLAC法)基于有限差分法的针对岩土体分析的一种新型数值模拟方法。其将岩土体视为等效连续体,考虑了岩土体的弹塑性本构关系,通过对其内部的应力、应变来分析给定断面的变形及稳定问题。通过求解静力平衡方程,利用FLAC软件后处理功能,动态显示给定断面结构体内部广义剪应变增量及塑性区的演化情况,同时可以对连续介质进行大变形分析,能比较真实地反映各个时步各单元(或节点)的应力应变情况,进而可以模拟出岩土体变形破坏的全过程。
1.1 拉格朗日法简介FLAC是由Cundall和美国ITASCA公司开发出的有限差分数值计算程序,适用于岩土工程力学分析,其基本原理即是拉格朗日法。拉格朗日法源于流体力学,通过研究流体各个质点的运动参数(位置坐标、速度和加速度等)随时间变化的规律,综合所有流体质点运动参数的变化,从而得到整个流体的运动规律。将其移植到固体力学中,把计算对象的形状用单元和区域构成相应的网络,其结点相当于流体质点,然后按时步用拉格朗日法来研究连接单元的网格结点的运动。它利用差分格式按时步积分求解,在计算过程中随着网格形状的不断变化,不断更新坐标,允许介质发生较大的变形。每个单元在外荷载和边界约束条件下,按照约定的线性或非线性应力-应变关系产生力学响应,特别适合分析材料达到屈服极限后产生的塑性流动。程序采用最大不平衡力来刻画FLAC计算的收敛过程,如果单元的最大不平衡力随着时步增加而逐渐趋于极小值,则计算是稳定的,循环结束;否则,计算是不稳定的[2]。
1.2 FLAC算法流程FLAC显式静态分析求解流程如下:①根据实际问题的性质进行相应的简化处理,将模型进行网格划分,定义材料属性和设定模型所受的外力和边界条件。②运行程序,求初始应力平衡,若模型反应符合实际情况,计算继续。③根据实际工程情况改变模型的相关条件,重新运行程序达到新的平衡。④运行程序,求解FLAC模型,直到结果可以接受为止。⑤据研究问题的要求,分析相应参数的影响结果[2]。
2计算模型的建立及结果分析
某双连拱隧道采用上下行分离的整体式超浅埋大跨双连拱单洞单向行驶三车道隧道,隧道全长105m,最大埋深15m,该隧道南端近 1/4 处于断层破碎带内,围岩属Ш类围岩,为变质砂岩、板岩,裂隙发育,稳定性差。断层破碎带内岩体呈碎石状压碎结构,在开挖、爆破振动,特别是地下水作用下,破碎带围岩极易产生坍塌 。
2.1 模型建立及计算参数计算模型采用平面应变的为线弹性平面应变模型,隧道围岩初始应考虑其自重应力,隧道初期支护只考虑锚杆和喷混凝土的作用。根据弹塑性理论,隧道开挖仅对开挖中心点3～5倍范围的围岩产生影响。考虑到开挖洞室所处山体实际情况取模拟计算区域:计算范围:结构顶板以上、底板以下各取30m,左、右各取44.5m。隧道开挖宽度为22m,开挖高度为11.8m,边墙为曲墙,中隔墙为直墙,墙厚1.2m。该隧道的围岩力学参数表见表1,支护材料力学参数表2。模型长×宽为111×71.76 m2,X方向共划分111个网格,Y方向共划分为72个网格。边界条件:左、右边界约束水平方向位移,下边界约束水平、竖直方向位移,上边界为自由边界。数值模拟计算所采用的计算参数按表1和表2选取。
2.2 计算假定条件①计算模型为弹塑性,认为衬砌受力和变形在弹性范围内变化,围岩受力和变形在弹塑性范围内变化[3];②围岩认为是各向同性的物质;③隧道的受力和变形是平面应变问题;④围岩材料的本构模式采用Drucker-Prager(D-P)模型;⑤围岩初始应力场不考虑构造应力,仅考虑其自重应力。
2.3 隧道施工步骤图2为隧道开挖、衬砌步骤图,具体施工步骤如图2所示。
3模拟结果分析
3.1 竖直方向位移监测分析双连拱施工过程中中隔墙的变形是复杂的,不但有横断面上的变形,而且在纵断面上也存在弯曲扭转的变形。为了便于比较,考察中隔墙的稳定性,根据多点位移计量测的围岩内部增量位移(相对于中隔墙施工完毕)进行了与施工同步的动态位移分析,选取监测点中导洞拱顶坐标(54.9,39.8),图3表示的是中导洞拱顶监测点随开挖时步推进的位移变化曲线。
3.2 应力变化分析施工完毕后,由图4可知:左右洞室支护后的应力图形关于隧道轴线对称分布。从中隔墙的受力情况可以分析得到:中隔墙两端承受较大的压力,大、小主应力在中墙正上方围岩区顶部形成一块应力集中区域,中隔墙底部角隅应力集中现象明显,同时存在着一些拉应力。中隔墙是连拱隧道施工的一个较关键部位。
4结论
本文结合某双联拱隧道的施工建立了模拟实际开挖的平面应变模型,模拟隧道开挖的三维效应在施工监测数据的基础上进行了与施工同步的动态位移监测与应力分析。通过模拟分析在一定程度上反映了实际施工时的位移变化的趋势与数值,有利于以后在施工过程中进行有效的控制,保证施工的安全、可靠和经济。
参考文献:
[1]卢耀宗,莲花山大跨度连拱隧道施工方法研究[J].中国公路学报,2001,(2):75-77.
[2]刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.
[3]JTJ 042-94,公路隧道设计规范[s].