隧道作业2

西南交通大学隧道力学作业（2）矩形洞室洞周应力分布岩土一班高晋明20152100282015/11/14本次作业主要是计算矩形隧道在两种围岩情况下的断面应力分布情况，让学生了解这种洞形的应力分布以便后期支护。隧道力学作业（2）作业的内容梗概：在围岩等级为Ⅱ、Ⅲ级的情况下分别开一个矩形隧道，隧道顶部处于地下100m，断面大小为10m×10m。要求：将每条隧道壁四等分，求每条隧道壁等分点处的应力。隧道断面及所求应力点位置示意图如下：解答：（1）建立模型采用FLAC3D软件建立基础模型，在矩形隧道左右两侧各取50m，下侧同样取50m，上部如要求所述取100m，取矩形洞室四周各20m作为应力重分布区，模型厚度取1m。又因为后期要输出特殊点的应力，故在划分网格时将隧洞四周分别十等分，若将单元编号为1-10，则分别取每条边的第1、3、5或6、8、10个单元应力作为要求所述等分点的应力（在FLAC3D中没有点应力的概念，只有单元才能输出应力）。综上所述，初始模型的建立及洞周单元分布如下图：图1隧道基础模型图图2隧洞周边单元分布图注：中心10×10的正方形是要开挖的隧洞部分，周边是围岩的网格划分。围岩参数取自北京交通大学苏丽娟同学的硕士毕业论文《高速铁路隧道围岩支护参数优化设计》中对各级围岩力学参数的估计。各项指标的范围如下表（本文每项指标均取范围上下限的平均值）：表1围岩力学参数数值模拟分为初始地应力计算和开挖后无支护情况下的应力计算两部分。现以Ⅱ、Ⅲ级围岩的情况为例，输出其开挖后的水平应力和竖向应力在断面上的分布图如下：图3Ⅱ级围岩下隧洞开挖后的水平应力云图图4Ⅱ级围岩下隧洞开挖后的竖向应力云图E(GPa)c(MPa)Ⅱ25-2720-330.2-0.2550-601.5-2.1Ⅲ23-256.0-200.25-0.339-500.7-1.5等级参数（KN/）()图5Ⅲ级围岩下隧洞开挖后的水平应力云图图6Ⅲ级围岩下隧洞开挖后的竖向地应力云图将要求应力的单元由矩形洞室的左上角起始顺时针编号，分别为1-16号。输出其各项应力制成表格如下：表2Ⅱ级围岩下矩形隧道断面各点应力表2Ⅲ级围岩下矩形隧道断面各点应力由应力分布云图和应力分布表格可以看出，矩形隧洞洞周应力在Ⅱ、Ⅲ级围岩的条件下应力大小虽然不同，但其分布特性大致相同。在水平应力最大的部分主要在矩形的四个角点，其中两个下角点水平应力最大。而竖向应力最大的部分主要分布在矩形洞室的左右两侧，集中在两侧上下角点之间，从上至下大小大致相等。S-XXS-YYS-ZZS-XYS-XZS-YZ1(角点)-1.75E+06-1.51E+06-4.48E+06-3.50E+00-1.55E+06-3.43E+002-4.69E+05-1.79E+05-2.31E+059.60E+00-2.63E+05-5.56E+003-3.68E+04-2.90E+04-1.62E+042.34E+019.05E+022.81E+014-4.71E+05-1.80E+05-2.31E+051.20E+012.62E+051.09E+025(角点)-1.75E+06-1.51E+06-4.47E+061.50E+021.55E+069.81E+016-2.47E+05-1.13E+06-4.66E+06-8.41E+013.57E+058.28E+007-4.90E+04-9.97E+05-4.29E+06-2.06E+01-4.05E+03-7.74E+008-2.68E+05-1.18E+06-4.86E+065.56E+00-3.70E+052.41E+009(角点)-1.83E+06-1.60E+06-4.79E+06-4.26E+01-1.66E+062.61E+0110-4.70E+05-1.82E+05-2.65E+05-1.04E+02-2.87E+055.25E+0211-7.38E+03-3.17E+04-1.98E+041.33E+02-3.00E+014.46E+0212-4.67E+05-1.82E+05-2.70E+05-5.86E+022.90E+05-1.85E+0313(角点)-1.84E+06-1.60E+06-4.79E+06-2.12E+011.66E+062.97E+0114-2.59E+05-1.18E+06-4.86E+06-5.69E+013.77E+05-4.29E+0115-5.61E+04-9.97E+05-4.29E+06-5.26E+022.95E+036.71E+0116-2.53E+05-1.13E+06-4.66E+06-1.24E+00-3.56E+05-5.91E+00应力编号S-XXS-YYS-ZZS-XYS-XZS-YZ1(角点)-1.00E+06-8.83E+05-2.18E+06-1.95E+02-7.86E+052.55E+012-3.68E+05-1.34E+05-1.12E+05-1.41E+02-1.50E+058.26E+003-1.29E+05-3.96E+04-1.46E+042.69E+01-3.50E+02-7.55E+004-3.67E+05-1.33E+05-1.13E+053.76E+011.51E+05-4.51E+015(角点)-9.99E+05-8.81E+05-2.17E+061.06E+027.87E+055.89E+016-1.06E+05-6.32E+05-2.19E+063.21E+021.84E+05-5.69E+017-2.32E+04-5.55E+05-2.00E+06-7.40E+01-5.00E+02-1.14E+018-1.14E+05-6.58E+05-2.28E+06-6.68E+02-1.93E+05-2.82E+029(角点)-1.05E+06-9.38E+05-2.32E+06-1.56E+02-8.39E+051.72E+0210-3.73E+05-1.42E+05-1.33E+05-8.97E+01-1.66E+052.29E+0211-1.05E+05-4.25E+04-2.02E+04-5.11E+015.00E+014.70E+0112-3.74E+05-1.42E+05-1.31E+053.69E+011.66E+055.44E+0113(角点)-1.05E+06-9.37E+05-2.32E+063.54E+008.39E+05-2.86E+0014-1.23E+05-6.61E+05-2.28E+06-1.31E+001.93E+05-4.55E+0015-2.35E+04-5.54E+05-1.99E+061.29E+015.50E+024.45E+0016-1.13E+05-6.34E+05-2.19E+064.32E+02-1.84E+05-1.81E+02应力编号