李 锋
(长沙市公路桥梁建设有限责任公司,湖南 长沙 410011)
隧道施工过程中的三维数值分析模型构建
李 锋
(长沙市公路桥梁建设有限责任公司,湖南 长沙 410011)
根据长湘高速李家冲隧道施工的具体情况，以隧道监测数据为依托，建立了FLAC-3D三维数值分析模型，通过数值模拟，分析了隧道拱顶和周边应力与应变分布的规律，为隧道的安全施工提供了依据。
隧道，开挖法，数值模拟，断面
1 工程概况
长湘高速李家冲隧道位于湖南省长沙市岳麓区莲花镇，设计为双向六车道隧道，时速为120 km/h。该隧道设计开挖轮廓18 m，高度为12 m，全长为180 m，开挖断面大，断面形状呈扁平状。隧道轮廓线为大半径圆曲线，其纵断面为上坡段设计，为浅埋隧道。
李家冲隧道采用三台阶七步开挖方法，上部弧形导坑开挖并施作拱部初期支护，然后下台阶左右错位开挖，施作墙部初期支护，中心预留核心土开挖、隧底开挖，施作隧底初期支护。
本文选取隧道某段为数值模拟对象，进行FLAC-3D三维数值分析模型构建研究，横向长度为100 m，延线路纵向长度为10 m，拱顶距地表高度25 m。该研究成果的获得将对后期的应力与应变分析以及隧道施工具有一定指导意义。
2 FLAC-3D动力计算原理
在输入载荷条件进行模拟序列过程中，必须进行动力分析，但是静力平衡计算必须先于动力分析，因为在实际工程中，加载动力前工程实际已经达到静力平衡状态，在为动力分析构建模型中，应该考虑三个方面的因素，即边界条件、阻尼形式以及荷载要求。
3 模型的建立
因左线隧道并未开挖，故本文只计算右线隧道施工。按照隧道三台阶七步开挖法将掌子面设为7个组，一般来说，如果根据工程实际来建立计算模型是很复杂的，所以将岩体和围岩视为连续体，且各向为同性材料；不考虑构造应力作用，只考虑自重应力作用，具体步骤如下：
1)根据材料参数，建立本构模型；
2)根据模拟对象，计算施加载荷，并确定边界条件；
3)计算自重应力场；
4)根据上面三步所得参数，进行开挖模拟；
5)对模拟所得图形，进行结果分析。
4 模型构建
虽然FLAC-3D在求解岩土工程问题方面具有许多优越性，但是它的前期处理是弱项，也就是建模与网格划分这个阶段。所以本文在建立模型时，根据三台阶七步开挖法，首先通过Auto-CAD软件画出隧道的施工工序，如图1所示，其中：1为上台阶开挖；2为中台阶左开挖；3为中台阶右开挖；4为上部核心土开挖；5为台阶左马口开挖；6为下台阶右马口开挖；7为下部核心土开挖。
运用boundary命令，对象类型选择面域，并选择拾取点，点击8个区域，使之变成8个面域。首先从Auto-CAD软件中导出得到SAT文件，保存为tunnel.SAT，然后打开ANSYS有限元分析软件，将tunnel.SAT文件导入到ANSYS有限元分析软件中，在ANSYS有限元分析软件中拉伸面域即可得到隧道模型，划分网格时必须将局部坐标系设为与FLAC-3D坐标系一致。从ANSYS有限元分析软件中导出模型点坐标，并通过转换程序转化为FLAC-3D模型点坐标，最终的模型图如图2所示。
5 结语
在李家冲隧道施工过程中，由于采用的是三台阶七步开挖法，每个台阶在开挖时都采用钻爆法施工，爆炸产生的爆破波对隧道围岩、衬砌稳定性有一定影响。通过FLAC-3D三维数值分析模型构建研究，对后期应力与应变分析以及隧道安全施工具有一定指导意义。
[1] 李光扬,胡旭辉.隧道松动圈影响因素的权值分析[J].公路,2013(2):202-206.
[2] 李慎刚,赵 文.隧道开挖中注浆效果的FLAC-3D研究[J].东北大学学报(自然科学版),2010,31(3):440-443.
3-D numerical model construction in tunnel construction process
Li Feng
(ChangshaHighway&BridgeConstructionCo.,Ltd,Changsha410011,China)
According to specific Lijiachong tunnel engineering conditions of Chang-Xiang highway, taking tunnel monitoring data as the basis, through FLAC-3D numerical model, the paper analyzes the tunnel arch top and surrounding stress and strain distribution, which has provide some guidance for safe tunnel construction.
tunnel, excavation method, numerical simulation, section
1009-6825(2016)18-0185-02
2016-04-18
李 锋(1978- )，男，工程师
U455
A
