崔洋 徐姍姍

【文章摘要】

我國(guó)是水源極其匱乏的國(guó)家之一，并且地區(qū)分布又極不均勻，輸水隧道用于地區(qū)之間調(diào)水隨處可見。輸水隧道一般用于穿越山體和重要的設(shè)施，這些地段地質(zhì)條件復(fù)雜，它的穩(wěn)定性對(duì)一方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民的生活至關(guān)重要。

本文利用大型通用有限元程序ANSYS分析圍壓作用下圍巖的應(yīng)力應(yīng)變狀況，分析由于高地應(yīng)力作用下隧洞圍巖的變形關(guān)系，為工程設(shè)計(jì)提供幫助，并為后期輸水隧道設(shè)計(jì)和開挖提供相關(guān)的技術(shù)參考。

【關(guān)鍵詞】

輸水隧道;圍巖;有限元

1 隧洞的結(jié)構(gòu)介紹

水工隧洞可用于灌溉、發(fā)電、供水、泄水、輸水、施工導(dǎo)流和通航。水流在洞內(nèi)具有自由水面的，稱為無壓隧洞;充滿整個(gè)斷面，使洞壁承受一定水壓力的，稱為有壓隧洞。水工隧洞主要由進(jìn)水口、洞身和出口段組成。為防止巖石坍塌和滲水等，洞身段常用錨噴（采用錨桿和噴射混凝土）或鋼筋混凝土做成臨時(shí)支護(hù)或永久性襯砌。洞身斷面可為圓形、城門洞形或馬蹄形，有壓隧洞多用圓形。

2 有限元方法概述

有限單元法以剖分離散和分塊插值為指導(dǎo)思想。其基本方法是將連續(xù)的求解區(qū)域離散化為一組有限個(gè)、且按一定方式相互連接在一起的單元組合體，利用每一個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片地表達(dá)整個(gè)求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)。其應(yīng)用范圍已由桿件結(jié)構(gòu)問題擴(kuò)展到彈性力學(xué)以及塑性力學(xué)問題;由平面問題擴(kuò)展到空間問題;由靜力學(xué)問題擴(kuò)展到動(dòng)力學(xué)問題、穩(wěn)定問題;由固體力學(xué)問題擴(kuò)展到流體力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)等問題。已成為廣大科技工作者的有力武器。

3 基于ANSYS的隧道圍巖穩(wěn)定性分析

3.1初始地應(yīng)力的模擬

在ANSYS中，有以下兩種方法可能來模擬初始地應(yīng)力：

方法一，只考慮巖體的自重應(yīng)力，忽略其構(gòu)造應(yīng)力，在分析的第一步，首先計(jì)算巖體的自重應(yīng)力場(chǎng)。這種方法簡(jiǎn)單方便，只需給出巖體的各項(xiàng)參數(shù)即可計(jì)算。不足之處在于計(jì)算出來的應(yīng)力場(chǎng)和實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)有偏差，而且?guī)r體在自重應(yīng)力作用下還產(chǎn)生了初始位移，在繼續(xù)分析后續(xù)施工工序時(shí)，得到的位移結(jié)果是累加了初始位移的結(jié)果，而現(xiàn)實(shí)中初始位移早就結(jié)束，對(duì)隧道（洞）的開挖不產(chǎn)生影響，因此在以后的每個(gè)施工階段分析位移場(chǎng)時(shí)，需減去初始位移場(chǎng)。

方法二，使用讀取初始應(yīng)力文件的方法。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，ANSYS中可以使用讀入初始應(yīng)力文件來把初應(yīng)力指定為一種載荷，因此當(dāng)具有實(shí)測(cè)的初始地應(yīng)力資料時(shí)，可將初始地應(yīng)力寫成初應(yīng)力載荷文件，然后讀入ANSYS作為載荷條件，就可以直接進(jìn)行第一步的開挖計(jì)算。所得的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)就是開挖后的實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，無須進(jìn)行加減。

本文采用第一種方法。

3.2 Drucker-Prager（DP）材料模型。

巖石、土壤和砼等材料都屬于顆粒狀材料，能準(zhǔn)確描述這類材料的強(qiáng)度準(zhǔn)則為Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，使用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則的材料簡(jiǎn)稱訓(xùn)DP材料。在巖石、土壤等的有限元分析中，采用DP材料可以得到較為精確的結(jié)果。

3.3 隧道設(shè)計(jì)模型

隨著NATM法的出現(xiàn)，以測(cè)試為主的實(shí)用設(shè)計(jì)方法得到了發(fā)展，其中收斂-約束法采用最多，其主要思想是：邊施工，邊進(jìn)行洞周邊位移測(cè)量，隨著位移的變化情況，選擇合理的支護(hù)參數(shù)，這樣的好處是可以根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)計(jì)隧道結(jié)構(gòu)。收斂-約束法將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系，即圍巖-結(jié)構(gòu)模型，通過調(diào)整支護(hù)來控制變形，從而最大限度地發(fā)揮圍巖本身的自承載力。對(duì)于幾何圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)、地質(zhì)條件都比較復(fù)雜的地下工程，一般需要采用數(shù)值計(jì)算方法，尤其是需要考慮圍巖的各種非線性特征和施工過程對(duì)坑道穩(wěn)定性影響時(shí)。

3.4 隧道載荷

根據(jù)《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-92），隧道設(shè)計(jì)中主要考慮的載荷包括：永久載荷、可變載荷（基本可變載荷和其他可變載荷）以及偶然載荷。

4 工程實(shí)例

4.1 工程介紹

某河底引水隧道工程，立面為3孔圓形隧道，孔徑為9.5m，襯砌厚為1m;相鄰洞中心距為31m。埋置深度為河床下約71m。為研究方便，對(duì)以上實(shí)例工程我們做如下簡(jiǎn)化：

隧洞覆蓋層厚度為50m，寬度為235m。覆蓋層土體的彈性模量取E=1500Mpa，泊松比取 =0.25，密度取為2500kg/ 。

其余土體，密度也為2500kg/ 。覆蓋層以上土體，以均布荷載的形式作用于覆蓋層上表面。且所有土體均不考慮水滲透作用。

隧洞為引水隧洞，在使用過程中有靜水壓力，但在隧洞施工期間為無內(nèi)壓隧洞，分析施工期圍巖穩(wěn)定性可以不考慮。河床上的河水，以均布水壓力的形式作用于覆蓋層上表面。簡(jiǎn)化后的簡(jiǎn)圖見圖4.1。

4.2 工程實(shí)例的ANSYS計(jì)算

（1）建立隧道有限元模型

（2）計(jì)算初始地應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)（工況一）

（3）進(jìn)行施工開挖

（4）進(jìn)行開挖后內(nèi)力和位移計(jì)算（工況二）

（5）后處理。根據(jù)模型的簡(jiǎn)化方法，本項(xiàng)目只考慮巖體的自重應(yīng)力，忽略其構(gòu)造應(yīng)力，在分析的第一步，首先計(jì)算巖體的自重應(yīng)力場(chǎng)。因此在以后的每個(gè)施工階段分析位移場(chǎng)時(shí)，需減去初始位移場(chǎng)。即需用工況二的結(jié)果減去工況一的結(jié)果。

（6）改變襯砌厚度，重新計(jì)算隧道孔洞的應(yīng)力和位移。重復(fù)步驟1-5，每次改變襯砌厚度（200，500，750，1000，1200，等），即可得到在不同襯砌厚度下隧道孔洞的應(yīng)力和位移。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

將計(jì)算得到的不同襯砌厚的隧洞圍巖的應(yīng)力和位移進(jìn)行對(duì)比，得到相應(yīng)的曲線。

5 總結(jié)

通過改變襯砌厚度，計(jì)算不同襯砌厚度時(shí)的圍巖應(yīng)力和位移，發(fā)現(xiàn)并不是越增加襯砌厚度就越有利于圍巖的穩(wěn)定性，對(duì)不同的隧洞，應(yīng)該采用不同的襯砌厚度，這個(gè)厚度，要使圍巖的應(yīng)力最小或接近最小，同時(shí)滿足位移變化的要求。而對(duì)本次研究所選的實(shí)例工程而言，最合理的襯砌厚度為1000mm。當(dāng)采用的襯砌厚度為1000mm時(shí)，圍巖上各點(diǎn)的應(yīng)力可以達(dá)到較小值，特別是圍巖的頂點(diǎn)和底部點(diǎn)處的應(yīng)力，同時(shí)達(dá)到最小值;而且，圍巖的位移也達(dá)到合理、經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]闞前華等編著.ANSYS高級(jí)工程應(yīng)用實(shí)例分析與二次開發(fā).北京：電子工業(yè)出版社，2006

[2]杜平安等編著. 有限元法：原理、建模及應(yīng)用.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004

[3]王煥定， 王偉編著. 有限單元法教程. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003

【作者簡(jiǎn)介】

崔洋、男、1981年、山東日照、講師。