偏压分岔隧道施工过程损伤破坏分析与优化研究

第30卷第6期岩土力学Vol.30No.62009年6月RockandSoilMechanicsJun.2009收稿日期：2007-10-08基金项目：国家杰出青年科学基金（A类）（No.50625927）；中国博士后科学基金（20080431200）；山东省博士后创新项目（200803041）第一作者简介：王汉鹏，男，1978年生，讲师，博士后，主要从事岩石力学试验与数值模拟方面的研究工作。E-mail:[e-mail]文章编号：1000－7598(2009)06－1705－06偏压分岔隧道施工过程损伤破坏分析与优化研究王汉鹏1，李术才1，郑学芬2(1.山东大学岩土与结构研究中心，济南250061；2.山东城市建设职业学院，济南250014）摘要：正在施工的沪蓉西高速公路八字岭分岔隧道属于偏压隧道，而且分岔隧道包括连拱段和小净距段，施工过程转换复杂，因此，采用正确的施工方案对于隧道的稳定性非常重要。为更真实地模拟岩体的力学特性，研究施工过程中岩体的损伤破坏，根据不可逆热力学理论建立了弹塑性损伤耦合模型，并编制了三维弹塑性损伤有限元程序D-FEM。建立了分岔隧道大型三维数值模型，采用弹塑性损伤有限元D-FEM模拟了分岔隧道不同的施工过程，通过分析施工过程中隧道围岩的位移、应力和损伤屈服区，昀终确定采用左洞超前右洞32m，左右洞同步开挖的施工方法。关键词：偏压；分岔隧道；施工过程优化；弹塑性损伤；有限元中图分类号：U457；TB115文献标识码：ADamageanalysisandoptimumresearchonconstructionprocessforforkedtunnelunderbiaspressureWANGHan-peng1，LIShu-cai1，ZHENGXue-fen2（1.ResearchCenterofGeotechnicalandStructuralEngineering,ShandongUniversity,Ji’nan250061,China;2.ShandongUrbanConstructionVocationalCollege,Ji’nan250014China）Abstract:BazilingforkedtunnelalongShanghai-ChengduExpresswayinconstructionisanunsymmetricallyloadedtunnel.Constructionprocessofforkedtunnelisverycomplexbecausetheforkedtunnelincludestwin-boresectionandsmallclearspacingsection.So,it’simportantforforkedtunneltoadoptappropriateconstructionprocess.Inordertosimulaterockmasspropertiesveritablyandanalyzedamagefailureofrockinconstruction,thecouplingmodelofelastoplasticdamageispresentedbasedonirreversiblethermodynamicstheory.3DelastoplasticdamagefiniteelementcodeD-FEMisprogrammedbyFORTRANlanguage.Alarge3DnumericalmodelofforkedtunnelissetupanddifferentconstructionprocessesaresimulatedbyD-FEM.Throughanalyzingdisplacement,stressanddamageyieldzoneoftunnelsurrounding,theoptimumconstructionprocessthatlefttunnelexcavatesaheadofrighttunnel32misdetermined,lefttunnelandrighttunnelexcavatesynchronouslyisproposed.Keywords:biaspressure;forkedtunnel;constructionprocessoptimization;elastoplasticdamage;finiteelements1前言根据朱维申等[1]对施工过程力学的研究，施工过程对隧道的稳定性非常重要。根据国内外的研究结果[2-4]，一般认为，连拱隧道左右正洞开挖的错开距离，应控制在3D(D为隧道直径)左右，并根据量测结果调整，做到超前洞室的围岩变形基本稳定后，方可进行滞后洞室的施工。王祥秋、陈秋南等分别采用有限元与现场监测相结合的方法研究了龙井隧道和湖南双连拱进口施工过程，阐述了有限元能够模拟施工过程[5-6]。胡学兵等采用二维有限元研究了公路偏压连拱隧道，得出先施作深埋洞，再施作浅埋洞为昀优施工方案[7]。周玉宏等也采用二维有限元研究了偏压连拱隧道[8]。赵阳等采用三维模型模拟了偏压浅埋隧道不同施工方法，3导洞法施工步序对围岩的扰动次数多、衬砌的整体性不好,建议在围岩稳定允许的条件下，尽量应用中导洞法以减少对围岩的扰动和简化施工过程[9]。Soliman.E利用平面应变和三维有限元对小净距进行了开挖模拟[10]。靳晓光等采用有限元研究了小净距偏压隧道，得出先开挖浅埋侧隧道优于先开挖深埋侧隧道的结论[11]。正在施工的沪蓉西八字岭分岔隧道地表为高岩土力学2009年低不平的山地，由连拱段至小净距段埋深逐渐增大；且左洞方向的地面标高大于右洞方向，隧道模型昀大埋深179.35m，昀小埋深78.35m，偏压比较严重，属于偏压隧道。分岔隧道包括连拱段和小净距段，施工过程转换复杂，因此，分析分岔隧道施工过程中的损伤破坏，对优化施工过程十分必要。2计算原理与计算模型2.1弹塑性损伤耦合模型根据不可逆热力学理论进行推导，根据文献[11－15]，弹塑性损伤变形与加载历史有关，因此，本构关系应采用率形式可表达为ededpedp::CCεσσεεεε−−=++=++（1）式中：ε为弹塑性损伤岩体的总应变率；eed:Cεσ−=为在某一损伤尺度状态下岩体的弹性应变率；edC−为弹性损伤柔度张量；pε为岩体的塑性应变率，塑性应变增量pddFελσ∂=∂。ded:Cεσ−=为因损伤演化引起岩体弹性性质“劣化”而产生的附加耦合应变率，称之为损伤演化耦合应变率。已知弹性损伤柔度张量ededCCC−=+（2）因为eC为常数，故将式（2）写成增量形式得到：eddCC−=（3）dd:Cεσ=（4）至此，求出了岩体弹塑性损伤的本构关系模型。2.2损伤演化方程损伤演化方程是描述损伤变量与应力-应变关系的准则。国内外许多学者研究建立了不同的损伤演化方程，这里认为损伤演化的控制因素是应变，则设岩石的损伤阀值应变为fε，极限应变为uε，在单向应力下损伤演化过程可表达为[16]fuffuf00()()uDεεεεεεεεεεε⎧⎪=−⎨⎪−⎩≤（5）按照Mazars把一维损伤本构关系推广到三维的办法[17]，用等效拉应变和等效压应变代替上式的ε，即可分别求得拉伸和压缩造成的损伤tD和cD。根据各应变分量求得3个主应变123,,εεε，则等效拉应变2t(0)iiiεεε=∑，等效压应变2c(0)jjjεεε=∑。当单元体中存在拉压两种主应力的混合受力状态时，则单元体的总损伤为ttccDDDαα=+（6）式中：tα和cα为组合系数，具体参考文献[16]。2.3弹塑性损伤有限元当某单元损伤后，为满足结构平衡原理，需要将单元损伤后多余应力引起的节点力附加在荷载向量中。损伤引起的损伤演化附加力由下式[19]计算：{}[][]{}TdΔdFBDVε=−∫∫∫（7）式中：[B]为应变矩阵；[]''''''''''''000000000=000000000000000BAAABAAABDDDDDCCC⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥∂ΔΔ=Δ⎢⎥∂⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦式中：D为考虑损伤D后的弹性刚度矩阵[18]；'A=''2;;3(1)3(1)2(1)EEEBCμμμ=−=−+++；DΔ为损伤演化增量。因此，当采用损伤软化弹塑性耦合计算时，由虚功原理，结构整体有限元方程组为：{}{}{}d[]ijjiiKFFδ=+（8）式中：{}iF为单元等效节点荷载向量。根据上面的理论，采用VISUALFORTRAN6.5编制了相应的三维大型弹塑性损伤有限元程序D-FEM。该程序能进行单元的生死模拟,具有群组功能，采用预条件共轭梯度法（PCG）进行迭代求解，计算速度快。2.3数值模型考虑到边界效应的影响，模拟范围为：长(X向)×高（Y向）×厚（Z向）=150m×(116～216.5)m×85m。隧道连拱段和小间距段的长度分别为：42.2m和42.8m。建立了分岔隧道的真三维大型模型，共划分20710个单元，22280个节点（见图1）。单元采用8节点6面体三维等参单元，计算模型底部和前后左右四周滑动约束，上部自由。1706第6期王汉鹏等：偏压分岔隧道施工过程损伤破坏分析与优化研究图1模拟范围及网格划分Fig.1Simulationrangeandelementmeshes文中的塑性屈服准则采用Mohr-Coulomb模型来模拟。计算力学参数见表1，围岩采用Ⅳ围岩，连拱段混凝土中墙采用C20混凝土，衬砌采用C25混凝土。锚杆支护采用等效弹模法，将支护范围围岩的强度和弹模提高20%。2.4施工工序开挖总是从连拱段向小净距段推进，连拱段先开挖中导洞，然后浇筑混凝土中墙。为研究分岔隧道在偏压情况下的施工过程优化，选取的施工工序如下：（1）先开挖左洞，后开挖右洞；（2）先开挖右洞，后开挖左洞；（3）左洞超前右洞开挖，然后左右洞同时进行开挖，分别考虑超前距离L=20m和L=32m，见图2所示；（4）右洞超前左洞开挖，然后左右洞同时进行开挖，分别考虑超前L=20m和L=32m。在纵断面上，不同的施工工序，隧道的每步进尺都为4m；在横断面上，隧道采用上下台阶法开挖，先开挖上台阶，再开挖下台阶。表1计算力学参数Table1Mechanicalparameters单轴压缩应变单轴拉伸应率材料类别重度γ/(kN/m3)弹模E/GPa泊松比μ黏聚力c/MPa摩擦角ϕ/(°)抗拉强度/MPaεfεuεfεuⅣ围岩27.880.221.3401.00.00070.0070.00050.005混凝土C2025260.21.6401.60.00050.0050.00030.003混凝土C2527290.22.0451.90.00050.0050.00030.003图2左洞超前右洞同步施工方法Fig.2Synchronousconstructionoflefttunnelaheadofrighttunnel3施工优化分析3.1左右两洞开挖面合理间距一侧洞开挖完后再开挖另一侧隧洞，随着另一侧隧洞的开挖推进，先开挖隧洞拱顶也逐渐下降，见图3。从图中可以看出，后开挖隧洞开挖面距离先开挖隧洞监测断面的距离越长，先开挖隧洞该监测断面的位移所受先开挖隧洞的影响越小，距离后开挖隧洞掌子面前方32m的先开挖隧洞的变形基本稳定。因此，左右洞开挖面的合理间距应为32m。-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100816243240485664728088开挖进尺/m左洞右洞另一隧洞开挖掌子面位移/mm图3后开挖隧洞开挖对先开挖隧洞的影响Fig.3Influenceoftunnelexcavationonprevioustunnel3.2施工工序确定3.2.1位移图4为在断面1左右两隧洞拱顶的位移曲线。图中，左洞超前32m开挖时，左隧洞拱顶的昀终位移为4.52mm，右隧洞拱顶的昀终位移为4.26mm；右洞超前32m开挖时，左隧洞拱顶