西南交大隧道设计第三次作业隧道开挖文档格式.docx

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1工程概况1

2构建模型2

3建模步骤2

3.1确定分析标题及类型2

3.2设置单元属性和材料特征3

3.2.1单元类型3

3.2.2实常数3

3.2.3材料参数3

3.3建立几何模型4

3.3.1创建关键点4

3.3.2创建线5

3.3.3创建面6

3.4划分网络7

3.4.1设置线网格划分7

3.4.2设置面网格划分8

3.4.3创建衬砌单元8

3.4.4创建临时支护单元9

4加载与求解10

4.1加载与自重应力场求解10

4.1.1施加约束条件10

4.1.2施加重力加速度11

4.1.3自重应力场求解11

5CRD法开挖模拟11

5.1开挖第一部分12

5.1.1节点力计算12

5.1.2开挖土体—无支护13

5.1.3开挖土体—有支护14

5.2开挖第二部分15

5.2.1节点力计算15

5.2.2开挖土体—无支护15

5.2.3开挖土体—有支护16

5.3开挖第三部分17

5.3.1节点力计算17

5.3.2开挖土体—无支护18

5.3.3开挖土体—有支护19

5.4开挖第四部分20

5.4.1节点力计算20

5.4.2开挖土体—无支护20

5.4.3开挖土体—有支护21

5.5拆除临时仰拱22

6计算结果分析24

6.1建立单元表24

6.2临时支护与初期支护轴力分析24

6.3临时支护与初期支护弯矩分析26

6.4临时支护与初期支护剪力分析28

忻州隧道设计

1工程概况

如图1-1为我国高速铁路隧道的衬砌断面型式，支护结构的主要参数如下：

（1）隧道腰部和拱部初期支护厚25cm，二次衬砌厚45cm，仰拱初期支护厚度为10cm，二次衬砌厚度为55cm。

（2）初期支护采用C25喷射混凝土，二次衬砌采用C30混凝土，采用I20b钢架加强，间距为0.6m，弹性模量为210GPa。

（3）隧道围岩级别为V级，跨度14.7m，高度12.03m，隧道深埋50m。

如图1-1为我国高速铁路隧道的衬砌断面型式。

图1-1隧道断面图（单位：

厘米）

将钢架等效成等厚度的混凝土，利用抗弯等效原则与原有的刚度进行叠加，计算叠加后的衬砌弹性模量按式

（1）计算。

即

（1）

其中E1和I1、E2和I2分别为混凝土、钢架的弹性模量和惯性矩，E3为钢筋混凝土结构弹性模量，其中根据相关规范可得I20b工字钢x-x惯性矩为2500cm4。

将材料数据式

（1）即可得钢筋混凝土结构弹性模量：

材料参数如表1-1所示。

表1-1材料物理力学参数表

围岩及结构

容重/kN/m3

弹性模量/GPa

泊松比

凝聚力/GPa

内摩擦角/°

C25钢筋混凝土

25

27.45

0.2

——

围岩

22

1.3

0.35

27

2建模及计算

2.1NASYS建模

因隧道埋深50m、跨度14.7m和高度12.03m，所以本次计算模型左右边界取2倍洞径约30m，隧道至上边界50m，下边界取2倍洞径约25m，模型纵向取150m。

总的来说，模型长高87.03m，宽74.7m，长150m，总体模型单元总数为51420，节点总数为54595。

计算模型如图2-1所示，模型中外部围岩、待挖围岩和衬砌均采用实体单元，并借助mesh200单元进行面网格划分，应用面网格拉伸形成体单元及体网格，使得体单元网格划分比较规则，具体过程见附件一：

ANSYS建模。

（a）正视

（b）侧视

（c）斜视

图21三维计算模型

2.2FLAC3D计算

将ANSYS建好的模型导入FLAC3D中进行计算，模型如图2-2所示。

计算分为三个部分，分别为初始应力计算、有支护时应力计算和无支护时应力计算，具体计算命令见附件二~附件四所示。

图22FLAC3D计算模型

3结果分析

根据FLAC3D计算，分别记录分析在有、无支护条件下：

1、75m断面处拱顶C点的沉降值随其距离掌子面距离的变化特征；

2、75m断面处AB测线水平收敛值随其距离掌子面距离的变化特征；

3、75m断面处O点的挤出位移值随其距离掌子面距离的变化特征。

测点位置如图3-1所示。

图3175m断面处记录点位置

3.1有支护开挖

3.1.1C点沉降

根据附件三计算结果，75m断面处拱顶C点的沉降值随其距离掌子面距离的变化特征如图3-2所示。

图32C点沉降

由图3-2可知，在开挖面距离y=75m的越来越近的时候，y=75m断面处拱顶C点的沉降值随其距离掌子面距离越来越大，且速度越来越快，在开挖到y=75m是，速度达到最大，随着开挖面远离y=75m时，拱顶C点的沉降值随其距离掌子面距离逐渐增大，速度逐渐缓慢，在开挖结束时，拱顶C点的沉降值达到最大-8.462mm。

3.1.2AB测线水平收敛

根据附件三计算结果，75m断面处AB测线水平收敛值随其距离掌子面距离的变化特征如图3-3所示。

图33AB测线水平收敛

由图3-3可知，在开挖面距离y=75m的越来越近的时候，y=75m断面处AB测线水平收敛值随其距离掌子面距离越来越大，且速度越来越快，在开挖到y=75m是，速度达到最大，随着开挖面远离y=75m时，AB测线水平收敛值随其距离掌子面距离逐渐增大，速度逐渐缓慢，在开挖结束时，拱顶C点的沉降值达到稳定-2.20984mm。

特别的，在开挖到y=75m的下一个开挖循环的时候，AB测线水平收敛值突然变化很大，达到-2.56494mm，随后逐渐减小，趋于最后的稳定。

3.1.3O点挤出位移

根据附件三计算结果，75m断面处O点的挤出位移值随其距离掌子面距离的变化特征如图3-4所示。

图34O点挤出位移

由图3-4可知，在开挖面距离y=75m的越来越近的时候，y=75m断面处O点的挤出位移值随其距离掌子面距离越来越大，且速度越来越快，在开挖到y=75m是，速度达到最大，O点的挤出位移值达到最大值-6.18834mm。

3.2无支护开挖

3.2.1C点沉降

根据附件三计算结果，75m断面处拱顶C点的沉降值随其距离掌子面距离的变化特征如图3-5所示。

图35C点沉降

由图3-5可知，在开挖面距离y=75m的越来越近的时候，y=75m断面处拱顶C点的沉降值随其距离掌子面距离越来越大，且速度越来越快，在开挖到y=75m是，速度达到最大，随着开挖面远离y=75m时，拱顶C点的沉降值随其距离掌子面距离逐渐增大，速度逐渐缓慢，在开挖结束时，拱顶C点的沉降值达到最大-16.793mm。

3.2.2AB测线水平收敛

根据附件四计算结果，75m断面处AB测线水平收敛值随其距离掌子面距离的变化特征如图3-6所示。

图36AB测线水平收敛

由图3-6可知，在开挖面距离y=75m的越来越近的时候，y=75m断面处AB测线水平收敛值随其距离掌子面距离越来越大，且速度越来越快，在开挖到y=75m是，速度达到最大，随着开挖面远离y=75m时，AB测线水平收敛值随其距离掌子面距离逐渐增大，速度逐渐缓慢，在开挖结束时，拱顶C点的沉降值达到稳定-17.238mm。

3.2.3O点挤出位移

根据附件四计算结果，75m断面处O点的挤出位移值随其距离掌子面距离的变化特征如图3-7所示。

图37O点挤出位移

由图3-7可知，在开挖面距离y=75m的越来越近的时候，y=75m断面处O点的挤出位移值随其距离掌子面距离越来越大，且速度越来越快，在开挖到y=75m是，速度达到最大，O点的挤出位移值达到最大值-6.7167mm。

4结果对比

4.1.1C点沉降

根据附件三、四计算结果，有无支护条件下，75m断面处拱顶C点的沉降值随其距离掌子面距离的变化特征如图4-1所示。

图41C点沉降

从图4-1可以看出，在开挖面距离y=75m的越来越近的时候，y=75m断面处拱顶C点的沉降值随其距离掌子面距离变化，在有无支护情况下，变化不是很大；

随着开挖面远离y=75m时，拱顶C点的沉降值随其距离掌子面距离变化，在有支护情况下变化相对无支护情况下变化较小，约等于无支护情况下拱顶C点的沉降值的50%。

4.1.2AB测线水平收敛

根据附件三、四计算结果，有无支护条件下，75m断面处AB测线水平收敛值随其距离掌子面距离的变化特征如图4-2所示。

图42AB测线水平收敛

从图4-2可以看出，在开挖面距离y=75m的越来越近的时候，y=75m断面处AB测线水平收敛值随其距离掌子面距离变化，在有无支护情况下，变化几乎一样；

随着开挖面远离y=75m时，AB测线水平收敛值随其距离掌子面距离变化，在有支护情况下变化相对无支护情况下变化较小，约等于无支护情况下AB测线水平收敛值的30%。

4.1.3O点挤出位移

根据附件三、四计算结果，有无支护条件下，75m断面处O点的挤出位移值随其距离掌子面距离的变化特征如图4-3所示。

图43O点挤出位移

由图4-3可知，在开挖面距离y=75m的越来越近的时候，y=75m断面处O点的挤出位移值随其距离掌子面距离变化，在有无支护情况下，变化几乎一样，O点的挤出位移值数值相差不大。

5总结

通过FLAC3D软件，对于特定的围岩，在有无支护的情况下进行开挖，检测y=75m断面处的拱顶C点的沉降值、AB测线水平收敛值、O点的挤出位移值随其距离掌子面距离的变化特征。

通过计算可以发现，拱顶C点的沉降值、AB测线水平收敛值随其距离掌子面距离的变化特征，在有无支护情况下，有支护的围岩变化相对无支护的围岩变化较小。

O点的挤出位移值随其距离掌子面距离的变化特征，在有无支护情况下，有支护的围岩变化与无支护的围岩变化相同，几乎没有区别。

在实际的隧道施工中，拱顶的沉降值、水平测线收敛值是作为新奥法的主要监测项目，通过计算发现，在有支护的情况下，可以大大的约束围岩的拱顶的沉降值、水平测线收敛值，充分发挥围岩的承载力，提高了隧道施工的安全性。