1、水底基岩隧道顶板厚度确定方法研究摘要：本文以某水底基岩隧道为工程背景，采用有限元软件 ANSYS建模，用三维数值位移收敛法对顶板厚度进行探讨。研究表明，该工程设计的岩石覆盖厚度与世界主要水底基岩隧道工程类比，相对偏于安全。关键词：水底基岩隧道 顶板厚度数值模拟 位移收敛 中国分类号： U45 文献标示码：A 1 前言 水底基岩隧道岩石覆盖厚度是保证水底隧道工程安全的重要因素。位移收敛法是指以位移的变化作为依据，认为围岩变形量或变形速率超过一定值，岩体即发生破坏。模型试验的方法花费较大，因此本文用数值方法来进行研究。目前在岩土和地下工程稳定分析中，经常用到的数值方法有有限元法和有限差分法。其中有
2、限元法比较成熟的商用程序有ABAQUS和 ANSYS，有限差分法比较成熟的商用程序主要是 FLAC。本文用ANSYS软件以某水底基岩隧道为工程背景，三维数值位移收敛法，对顶板厚度进行探讨。应力扰动范围取主应力的扰动范围作为依据，以位移变化作为主要判据，以相邻两种工况同一位置的位移变化趋于收敛最终确立隧道最小岩石覆盖厚度。 2 数值模型 2.1 工程概况 某隧道是一项规模浩大的水底工程，图 1为隧道剖面关键点的位置图，图 2为隧道第三轴线地质剖面和原设计隧道轴线布置示意图，表 1为工程岩石物理力学参数。 图 1 隧道横剖面及洞周关键点位置示意图 图 2第三轴线地质剖面和原设计隧道轴 线布置示意图
3、 表 1 岩石物理力学参数 岩性 弹性模量 /Gpa 泊松比 粘聚力 c/Mpa 摩擦角 (o) 密度/KNm-3 全风化花岗岩 0.05 0.30 0.033 30.00 19.50 强风化花岗岩 1.00 0.30 0.200 35.00 26.50 弱风华微新风化花岗岩 15.00 0.25 1.000 50.00 26.50 爆破影响区岩体 10.00 0.30 0.700 45.00 26.50 3.2 计算模型 采用大型商用软件 Ansys建立整体三维有限元模型，以该水底基岩隧道为工程背景。根据国内外工程类比和设计院的初选方案,给定了隧道底板的基准方案,分别将底板升高和下降, 最终
4、用位移收敛为判定依据确定底板厚度的正确性。由于隧道本身很长，分段组成，若直接将隧道作为一个模型来计算，工作量大而且精度不高。为了减少工作量和提高计算精度，本文取第三轴线 k8+350段到 k11+120段来建立模型，取 K8+750横断面进行受力分析。模型选取深度方向选取水平面以下 150m，为模型y轴方向；隧道轴线方向选取整个水底施工段，为模型 z轴方向；隧道横断面两侧各选取 50m，为模型 x轴方向。模型共有 58080个单元，62101个节点，模型底面施加 y方向约束，隧道横断面两侧模型施加 x方向约束，隧道轴线方向两侧施加 z方向约束。在模型上部按照实际水深度施加分布荷载模拟水的静水压
5、力。图 3为整体模型图，图 4为隧道 K8+750横断面图。 图 3 整体模型图图 4 隧道 K8+750横断面图 3.3 结果分析 3.3.1 塑性区 K8+750 剖面的各工况下的塑性区分布见图 5。各工况的塑性区范围均较小，随隧道埋深的减小，塑性区范围有减小的趋势。岩石的侧压系数为 0.6时，塑性区主要分布在底拱、顶拱方向。为了验证随隧道上抬和下移过程，应力扰动区的变化规律，本文以 k8+750附近剖面的三维计算分析结果为例，在 k8+750附近，最大主应力扰动范围在 36m39m，而最小主应力的扰动范围则从 28m30m，其波动幅度较小，但其扰动范围均在基岩中。对于地质条件好的里程，其
6、应力扰动区域小于地质条件差的地段。如果以应力扰动范围作为选线的标准，各个计算里程断面均应在设计线基础上下降 20m左右。如果仅用应力扰动范围作为判断标准，从计算结果上看，有些过于保守。因此，有必要利用位移作为判断依据来进一步确定最小覆岩厚度。 （a）K8+750 原设计高程塑性区 （b） K8+750 高程上抬 2m塑性区 （c） K8+750 高程上抬 4m塑性区（d）3.24 K8+750 高程上抬 6m塑 （e）K8+750 高程下降 2m塑性区 （f） K8+750 高程下降 4m塑性区 图 5 塑性区分布图 3.3.2 底板厚度的确定 图 6为 K8+750断面隧道拱顶覆岩层位移曲线
7、，图 7为不同方法得到的水底隧道底板底板线比较曲线。从图 6和图 7可知，根据位移收敛法可以得到各计算工况建议岩石覆盖厚度。同理，可以得到整个水底隧道各个关键剖面的建议岩石覆盖厚度和底板线高程，即使隧道轴线抬升 4m后，仍能满足挪威经验公式的要求。并将各种工程类比法得到的底板线高程，与原设计底板线高程、计算建议底板线高程绘于图 7，通过与工程类比法得到的底板线高程进行对比可知，计算得到的最小岩石覆盖厚度较为合理。从而也验证了确定水底基岩隧道最小岩石覆盖厚度位移收敛法的正确性和对此类问题的可行性。 图 6K8+750断面隧道拱顶覆岩层位移曲线图 7 不同方法得到的水底基岩隧道底板底板 线比较曲线
8、 4 小结 本文通过对某水底基岩隧道 k8+750段用数值模拟软件 ANSYS进行整体三维数值模拟，研究表明，该隧道的设计岩石覆盖厚度与世界主要水底基岩隧道工程类比，相对偏于安全。 参考文献 1 Hagelia P.Semi-quantitative estimation of water shielding requirements andoptimization of rock cover for sub-sea road tunnelsJ. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechani
9、cs Abstracts, 1995,32(3): 485-492. 2 张宇,周健南,纪 冲. 海底隧道岩石覆盖层厚度基于群组的层次分析决策方法J. 2010.4(32): 638-644. 3 Tsuji H,Sawada T,Takizawa M. Extraordinary inundation accidents in the Seikan undersea tunnelJ. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts,1996,119(1): 1-14.
