基于围岩应力分析对边墙支护隧道稳定性的模拟研究

一、引言

近年来国内外已围绕节理围岩（岩体）稳定性问题开展了许多研究，且研究成果显著。Mam、Brady[1]使用摩尔—库伦和连续屈服本构模型这两种方法，对地质构造复杂的某工程现场的围岩稳定性进行计算预测，通过与现场试验数据的比对，验证了连屈服本构模型比摩尔—库伦在计算地下洞室的围岩稳定性时效果更好。Kim Yong、B. Amadei 、E. Pan[2]采用DDA这种方法对隧道、巷道等地下工程中周边围岩的拱顶和边墙的沉降收敛规律进行了探究，并解释了“临界值”的含义。陈卫忠、朱维申等[3]根据围岩节理特征，对不同开挖条件下的洞室模型进行实验，分析模型围岩的变性特点以及支护作用效果，得到了大型地下洞室围岩的变化规律。

建议可区分ABC类设施，确定建设方向和投资比例。A类为重点投资设施（例如：机房、值班室、办公室、门厅配套及装饰），B类为必须投资设施（例如：基础、结构、综合管线，消防，防水，隔热），C类为可节省投资设施（例如：楼梯间、休息室、食堂、地下室装潢修缮）。

针对节理围岩稳定性，支护作为隧道施工不可或缺的一项环节，其对隧道围岩稳定性的作用不可忽视，为此国内作者进行了一些研究。2010年，湖南大学张永杰[4]借助块体力学理论，使用模糊数学的计算方法，建立起集一套岩体力学参数不确定的分析与围岩稳定可靠性分析相结合的方法，应用于引水隧道工程实例，达到了不错的效果。辽宁工程技术大学张赛威[5]对关山隧道进行监控量测，得到围岩应力应变和位移形变的实测数据，得出结论：早期开挖的围岩释放应力最大，且围岩形变最厉害，故需及时支护；后期开挖的围岩虽然应力释放有所降低，但支护结构承受的应力仍然存在，故应充分考虑支护结构的承载能力。章元爱等人[6]通过研究富水复杂地质下的隧道支护系统，得出结论：运用CD法开挖的断面由于受拱顶和隧道底部朝内收敛的作用，导致压应力大多集中在隧道边墙周边的围岩，隧道底部容易隆起，故在施工过程中应当尽快施作仰拱，使支护尽快封闭成环。成都理工大学曲鹏程[7]、杨晓莹[8]分别对层状碎裂结构隧道和输水隧洞两种不同类型的隧道进行分析研究，得出不同支护方案下的对比效果，为类似工程提供了借鉴。

②通过增效扩容工程的实施，石门水电站年发电量将由7 830万kWh增加到8 744万kWh，增加幅度11.7%，水能资源利用更加充分。

二、ABAQUS运算流程

一个完整的ABAQUS分析过程，通常由三个明确的步骤组成：前处理、模拟计算和后处理。

1. 施作边墙支护的隧道洞内最大主应力主要集中在隧洞支护上，相比支护所受应力，隧道洞内周边围岩承受应力较小，而无支护隧道则隧道洞内应力分布较为混乱，且其围岩所受的最大主应力远大于支护系统全封闭的隧道，并且随开挖深度的增加，这种现象愈加明显；

模拟计算：模拟计算阶段用ABAQUS/Standard求解模型所定义的数值问题，它在正常情况下是作为后台进程处理的。一个应力分析算例的输出包括位移和应力，他们储存在二进制文件中以便进行后处理。完成一个求解过程所需的时间可以从几秒钟到几天不等，这取决于所分析问题的复杂程度和计算机的运算能力。

参考文献：

三、数值模型

（2）提高组织领导能力。基层党支部书记应具有能够组织、动员各方面力量去围绕上级党委行政的工作重点和单位的中心工作开展工作的能力；作为基层支部书记，虽然不是处于行政“领导”的地位上，但个人的思想水平、业务素质、个人品德等是构成支部书记有组织领导才能的重要因素，因此，支部书记应该经常和党员进行谈心，为他们办实事，帮助其提高认识，这样才会赢得同志们的信赖和拥护。

  

图1 隧道模型整体图

对模型进行材料赋予，模型分为三种材料，第一种为模型隧道上敷土材料；第二种为隧道周边围岩材料，选取Ⅳ级围岩岩石材料；第三种为隧道周边支护材料，选取C30混凝土材料，三种材料的参数如表1。

③本图根据塞德里克·格林（Cedric Green）示意图重新绘制，如希望获得更多关于电解制版法及环保版画材料的信息，可访问塞德里克·格林的网站：http://www.greenart.info。

  

图2 含边墙支护的支护模型图

  

图3 不含边墙支护的支护模型

 

表1 模型计算材料物理力学参数表

  

材料 密度ρ/g·m-3弹性模量/Gpa弹性抗力系数 泊松比 凝聚力 内摩擦角Ⅳ级围岩土 2.5 1.5 300 0.32 0.35 29°1.96 0.25 — 0.35 0.85 25°C30混凝土 2.5 30 — 0.2 2.42 54°

四、数值模拟结果分析

（一）围岩最大主应力分布云图

一杭想在楼下一个早餐点前喝碗豆浆，却见两个戴墨镜的男子一边狼吞虎咽地吃着包子，一边偷偷地看他，见一杭有所察觉，立即低下头吃东西。一杭的心提了起来，范坚强不会在路上对我下手吧？他迅速走过去，到前面一家早餐店买了两根油条，边走边回头，那两个人似乎并没有再注意他。一杭这才放下心来，看来是自己太多疑了，弄得草木皆兵。

由图4～图8可看出，施作边墙支护的隧道洞内最大主应力主要集中在隧洞支护上，相比支护所受应力，隧道洞内周边围岩承受应力较小。反观无边墙支护系统的隧道洞内应力分布较为混乱，隧道洞内围岩承受的应力远大于前者有支护的隧道。可见，在隧道开挖过程中，封闭成环的支护能够一定程度上保护周边围岩不被大应力所破坏。

通过对两种不同支护条件下的隧道模型进行计算，可得图4为隧道开挖5 m时不同边墙支护情况的围岩最大主应力分布云图；图5为隧道开挖10 m时不同边墙支护情况的围岩最大主应力分布云图；图6为隧道开挖15 m时不同边墙支护情况的围岩最大主应力分布云图；图7为隧道开挖20 m时不同边墙支护情况的围岩最大主应力分布云图；图8为隧道开挖25 m时不同边墙支护情况的围岩最大主应力分布云图。

（二）围岩径向剪应力分布云图

通过计算，可得图9为隧道开挖5 m时不同边墙支护情况的围岩径向剪应力分布云图；图10为隧道开挖10 m时不同边墙支护情况的围岩径向剪应力分布云图；图11为隧道开挖15 m时不同边墙支护情况的围岩径向剪应力分布云图；图12和图13分别为隧道开挖20 m、25 m时不同边墙支护情况的围岩径向剪应力分布云图。

  

图4 开挖5 m时，最大主应力分布云图

  

图5 开挖10 m时，最大主应力分布云图

  

图6 开挖15 m时，最大主应力分布云图

  

图7 开挖20 m时，最大主应力分布云图

  

图8 开挖25 m时，最大主应力分布云图

  

图9 开挖5 m时，径向剪应力分布云图

  

图10 开挖10 m时，径向剪应力分布云图

  

图11 开挖15 m时，径向剪应力分布云图

  

图12 开挖20 m时，径向剪应力分布云图

  

图13 开挖25 m时，径向剪应力分布云图

观察图9～图13，分别以隧道开挖到5 m和25 m的分布结果为例，当隧道开挖5 m时，含边墙支护隧道的掌子面下方的剪应力变化范围为7.426×105～4.321×105 pa，而不含边墙支护隧道的掌子面下方的剪应力变化范围为1.390×106～9.168×105 pa，两种支护状态下隧道围岩的剪应力差值变化范围为4.847×105～6.474×105 pa；当隧道开挖25 m时，含边墙支护隧道的掌子面下方的剪应力变化范围为1.118×106～6.410×105 pa，而不含边墙支护隧道的掌子面下方的剪应力变化范围为1.508×106～8.953×105 pa，两种支护状态下隧道围岩的剪应力差值变化范围为2.543×105～3.90×105 pa。由此可见，随着隧道的开挖，剪应力在沿隧道开挖方向前方下部2倍洞径范围内发生突变，应力方向主要为受拉，其值从上至下逐渐减小，由应力受拉转变为应力受压，范围分布呈现中间大，四周小的环形形状，下方应力值相对上方较小。故比较两个模型后可以发现，含有边墙支护的隧道剪切应变远小于未进行支护的隧道。

从建模的可行性考虑建立一个拱形隧道模型进行分析，模型隧道上部为拱形，两侧为竖直边墙。模型规格均为120 m（高）120 m（宽）120 m（厚），模型隧道跨度均为16 m，支护厚度为30 cm，模型中隧道已开挖支护段均为3 m，如图1。隧道支护采用C30混凝土喷射制成，一个隧道支护完整且拱顶边墙封闭连接，支护模型如图2，另一个隧道除不施作右边墙支护外，其他位置均施作支护，支护模型如图3。边界条件：有限元模型沿Z轴为隧道轴线方向，前后两面边界施加Z方向的水平约束；模型左右两边界施加沿X方向的水平约束；模型底面施加Y方向的竖向约束；上部边界条件上部分别施加不同埋深下岩土体的自重压力。

五、结论

论文主要论述了隧道内竖直边墙支护对隧洞周围岩石稳定性的影响，借助ABAQUS软件对有无边墙支护的两个隧道模型进行模拟计算，结论如下：

前处理：在前处理阶段需定义物理问题的模型生成一个ABAQUS输入文件。通常的做法是使用ABAQUS/CAE或其他前处理模块，在图形环境下生成模型。而一个简单问题也可直接用文件编辑器来生成ABAQUS输入文件。

[2] PAN E, AMADEI B. Boundary element analysis of fracture mechanics in ani sotropic bio materials[J]. Engineering Analysis with Boundary Elements, 1999, 23(8): 683-691.

3. 支护系统全封闭的隧道在抗围岩变形、抗围岩应力应变方面均优于无边墙支护的隧道。

后处理：一旦完成了模拟计算得到位移、应力或其他基本变量，就可以对计算结果进行分析评估，即后处理。通常，后处理是使用ABAQUS/CAE或其他后处理软件中的可视化模块在图形环境下交互式进行，读入核心二进制输出数据库文件后，可视化模块有多种方法显示结果，包括彩色等值线图、变形形状图和x-y平面曲线图等。

[1] MAM, BRADY B H. An alysis of the d ynamic performance of an underground excavationin jointed r ockunder repeated seismic loading[J]. Geotechnical and Geological Engineering,1999, 17(1): 1-20.

2. 支护全封闭的隧道围岩所受的径向剪应力小于无边墙支护的隧道，且两种支护状态下隧道围岩的剪应力差值变化范围为2.543×105～3.90×105 pa，随着隧道的开挖，剪应力在沿隧道开挖方向前方下部2倍洞径范围内发生突变，应力方向主要为受拉，范围分布呈现中间大，四周小的环形形状；

概率密度函数得到后，多次抽样电动汽车插入、离开充电桩的时刻和日行驶里程。电动汽车插入电网时的初始荷电状态可以通过式(25)计算，假定不小于90%；Li是电动汽车i的日行驶里程，W表示每千米能量损耗。因此，可以根据电动汽车接入与离开电网时刻，接入电网初始荷电状态以及式(19)-式(23)中电动汽车的充电约束来计算每个调度时段中电动汽车的无序充电需求电动汽车相关参数见表3。本模型中将调度周期设置为1 d，调度间隔为1 h。通过上述方式，最终求和可以得到电动汽车整体在峰、平、谷时段的无序充电负荷如表4所示,其中

[3] 陈卫忠, 朱维申, 王宝林, 等. 节理岩体中洞室围岩大变形数值模拟和模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 1991, l7(3):223-229.

[4] 张永杰. 基于不确定性理论的隧道围岩稳定性及风险分析研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2010.

可变风量系统的控制方法是通过出口温度与预定值的比较，使得电机转速由送风、回风及室温控制。DDC在变风量系统中控制如下：感应出风温度，控制两通阀打开—制冷，控制变频器改变电机转速，调节出风温度—低温，控制打开外部空气及回风风门，保持送风风温，平衡温度—温度过低，控制冷排不冻结。

[5] 张赛威. 关山隧道围岩与支护结构的力学响应与稳定性分析[D].阜新: 辽宁工程技术大学, 2012.

[6] 章元爱, 梅志荣, 张军伟, 等. 富水复杂地质围岩稳定性评价与支护系统优化[J]. 铁道工程学报, 2012, 29(1): 51-56.

[7] 屈鹏程. 层状碎裂结构隧道围岩稳定性分析及防灾对策研究[D].成都: 成都理工大学, 2015.

[8] 杨晓莹. 输水隧洞的支护结构及围岩稳定性分析[J]. 水利规划与设计, 2015, 5(6): 65-67.