王洋

【摘要】在公路隧道等地下工程中，隧道洞室的軸線一旦選定以后，事實上圍巖的介質和初始地應力場等邊界條件也就客觀存在不能改變了，所以在設計中只能不斷地調整洞室斷面的幾何形態(tài)、尺寸等，以改善圍巖的應力分布及其穩(wěn)定性狀態(tài)。本文依托高達隧道工程，利用大型數(shù)值模擬軟件ANSYS研究四種斷面形狀，即圓形斷面、單心圓斷面、三心圓斷面和直墻圓拱形斷面在同一隧道地質條件下的穩(wěn)定性情況。

并且本文使用MIDAS軟件對高達雙線隧道進行三維開挖仿真模擬，從而得出更為符合工程實際的理論數(shù)據，為工程實際提供更為準確的理論參考

【關鍵詞】隧道；不同斷面；數(shù)值分析；穩(wěn)定性

【Abstract】 In highway Tunnels and underground opening engineering， the tunnel axis once are made sure， the rock material medium and initial stress field and other boundary conditions can not be adjusted. Therefore， during the tunnel design processing we just could change the geometric shape， dimensions， etc， to improve the stress distribution and stability of state.

Based on the Gaoda tunnel investigation in site， Ansys code as numerical model tool are applied to optimizate the tunnel shape. And four tunnel shape are emphasesly modelling and analysised in this thesis， such as， Circular tunnel section、1-circle shaped section、3-circle shaped section and straight wall shaped section in the same geological conditions.

And using MIDAS software simulate two-lane tunnel of Gaoda excavation of three-dimensional. To obtain more consistent with the theory of the actual data for the project more accurately the actual provision of reference.

【Key words】Tunnel；Different sections；Numerical analysis；Stability

1. 引言

（1）公路隧道的一般設計過程與鐵路隧道大體相同，但鐵路隧道建筑限界固定統(tǒng)一，而公路隧道的建筑限界卻不固定，且公路隧道為大跨度、扁平、幾何形狀呈多樣化的特點，它取決于公路等級、技術標準、車道數(shù)、通風要求、工程地質、施工方法等條件，公路隧道的附屬設施如通風、照明、消防、報警等也均比鐵路隧道多、要求高，且每一座隧道均會因交通流量和長度不同而要求不同。因此，公路隧道難以像鐵路隧道那樣編制出標準設計圖，而需根據其具體的要求進行單獨設計，其中魏建軍、蔣斌松發(fā)表的公路隧道內輪廓形狀的數(shù)值優(yōu)化中對此內容進行了研究。

（2）本文基于高達隧道所遇到的選擇斷面問題為背景，嘗試借助于數(shù)值分析的方法，從理論上來探討高達隧道斷面形狀的設計比選、優(yōu)化，并使用MIDAS軟件分析工程穩(wěn)定性問題，國內韓貝傳發(fā)表的數(shù)值分析技術的發(fā)展現(xiàn)狀及在巖土工程中的應用，張云峰發(fā)表的隧道施工過程的數(shù)值模擬分析與方案的優(yōu)化對這方面的問題進行了闡述。

2. 工程概況

（1）高達隧道位于遼寧省東部的寬甸縣青山溝鄉(xiāng)，走向南西237°左右。設計雙線分離隧道，間隔40m左右，屬短隧道。。

隧道區(qū)位為中低山區(qū)，屬長白山脈東南部余脈?？傮w上北西側高，向南東傾斜，海拔高度370.60～433.60m之間，相對高差63.00m，山勢較緩，樹枝狀溝谷發(fā)育，沖溝窄坡陡，東側洞口（右進左出口）中等坡地貌，坡角18～24°左右，西側洞口（右出左進口），坡角11～17°左右。

（2）根據《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70-2004）中的公路隧道圍巖分級方案的有關規(guī)定，綜合考慮隧道底板標高以上三倍洞徑范圍內的圍巖工程地質條件及巖土體物理力學性質諸多要素，對隧道圍巖進行工程地質分級，洞口段為Ⅴ級圍巖，洞身為Ⅲ、Ⅳ級圍巖。

（3）由高達隧道工程地質概況可以得出隧道大部分地段處在Ⅲ級、Ⅳ級圍巖下，地質條件較為差，所以隧道穩(wěn)定性研究需要在彈塑性理論下進行。而穩(wěn)定性研究主要考慮在較不利的條件下進行的開挖受力情況，所以本文不討論隧道斷面在Ⅲ級圍巖下的穩(wěn)定性問題，而主要分析討論Ⅳ級圍巖下不同斷面的穩(wěn)定性問題。

3. 不同斷面隧道的開挖模擬數(shù)值分析

由于本隧道屬于細長結構物，即隧道的橫斷面相對于縱向的長度來說很小，可以假定在圍巖荷載作用下，在其縱向沒有位移，只有橫向發(fā)生位移，所以隧道的力學分析可以采用平面應變模型進行。

本文選取了四種典型的隧道斷面進行計算分析，分別為圓形隧道、單心圓隧道、直墻圓拱形隧道和三心圓隧道，計算分析隧道圍巖及襯砌內力和位移。通過隧道開挖過程中的仿真力學分析，以模擬結果比較分析得出最為適合本工程的隧道斷面形式。endprint