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地下水影响下隧道不同开挖方式的数值模拟

时间:2022-03-14 08:20:30 来源:网友投稿

总结,如表1所示,图2只给出导洞法的竖向和横向位移云图。由图2a可以看出:竖向位移在拱顶和拱底处达到最大,由图2b可以看出:水平位移在拱肩上部和拱脚下端以及拱腰处达到最大。

由表1可得出:4种开挖方式中台阶法的竖向拱顶位移最大,为1.90cm,导洞法的竖向拱顶位移最小,为1.66cm,而拱底位移则相反,导洞法拱底位移最大,为1.55cm,台阶法拱底位移最小,为1.25cm,由竖向位移可以得知,断面开挖分块较多的开挖方法比较稳定,引起的拱顶沉降比较小。由涌水量数据可以得出:导洞法涌水量最大,台阶法最小,这是由于地下水的渗流引起了周围岩土体的变动,加剧了拱底的隆起,因此导洞法拱底位移最大,台阶法最小,所以说拱底是富水条件下开挖隧道的一个薄弱环节(路平,2012)。对于拱腰横向位移,4种开挖方式中导洞法的拱腰横向位移最大,为0.45cm,台阶法的最小,为0.37cm,这同样是因为地下水的渗流效果引起了岩土体的变动。

3.3 应力场分析

笔者只给出导洞法的竖向和横向应力云图,如图3所示,其余开挖方式的应力云图图形都相差不大,只是应力大小上的改变。从图3中可以看出:隧道开挖后,洞口出现应力集中现象。4种开挖方式的应力值列于表2。

由表2可以得出:4种开挖方式产生的应力都集中于隧洞洞口附近(徐孟林,2014),台阶法的应力相比于其他3种开挖方式是最大的,而导洞法开挖周围围岩应力是最小的,这是因为台阶法工艺的自身防水性能在4种开挖方式中是最好的,而导洞法最差,涌水量过多,导致围岩内部的孔隙水压力减少,从而导致了隧洞洞口周围应力的减少。

3.4 稳定性分析

FLAC3D软件自带自动搜索安全系数的命令solve fos,而此命令仅适用于Mohr-Coulomb模型。通过对围岩的粘聚力C和内摩擦角φ进行不断折减,直到围岩处于临界破坏状态,从而确定安全系数(Ugai,1989),这种方法的实质就是强度折减法,此程序是利用内插逼近的方法确定安全系数。

由该方法计算出来的单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、导洞法及台阶法4种开挖方式的强度折减系数分别是1.615、1.653、1.699及1.496。从安全系数可以看出:导洞法和双侧壁导坑法相对于另外两种开挖方式围岩的稳定性更加稳定,而导洞法要比双侧壁导坑法略好一点。因此通过围岩安全系数的对比可知:导洞法更加适合大跨度富水条件隧道的开挖。

通过对比4种开挖方法,可知导洞法相比于其他3种开挖方法,更适合于这种大跨度的隧道开挖,虽然其本身的防水性能不是很好,但可以通过后续施工去弥补,因此在富水条件下的大跨度隧道开挖,导洞法更适合。

4 结论

基于流固耦合理论,考虑地下水影响下4种开挖方式对隧道开挖的影响,从而得出:4种开挖方式中台阶法自身防水性能最好,其次依次是单侧壁,双侧壁导坑法和导洞法;对于位移,导洞法开挖引起的拱顶沉降是最小的,而拱底隆起和横向拱腰位移却是最大的,而台阶法则是相反;对于应力,导洞法开挖围岩周围的竖向、水平应力和大主应力都是最小的,台阶法则最大。

对于围岩的安全系数,采用自编强度折减法程序,对4种开挖方式进行计算,可以得出:导洞法的安全系数最大,依次是双侧壁、单侧壁导坑法和台阶法,由此得出对于大跨度隧道在富水条件下开挖,导洞法相比于其他3种开挖形式更适合的结论。

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