孙家崖隧道施工有限元模拟分析报告.doc

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1、孙家崖隧道施工有限元模拟分析报告兰州交通大学中铁七局集团第三工程有限公司2010年12月74 / 77文档可自由编辑打印目 录第一章 有限元分析的理论和计算方法11 材料的弹塑性应力应变关系12 屈服准则13 体系有限元离散化和平衡方程的建立24 荷载列阵的计算35 平衡方程的求解36 衬砌内力计算47 材料强度发挥系数48 衬砌截面强度检算5第二章 孙家崖公路隧道右线衬砌和围岩体系的有限元分析61 孙家崖隧道台阶法有限元模拟分析61.1 有限元分析模型61.2 有限元分析结果71.3 小结162 孙家崖隧道单侧壁导坑法有限元模拟分析182.1 有限元分析模型182.2有限元计算结果分析192

2、.3 小结263 两种开挖方式的对比与分析28第三章 孙家崖公路隧道左线衬砌和围岩体系的有限元分析321 孙家崖隧道台阶法有限元模拟分析321.1 有限元分析模型321.2 有限元分析结果331.3 小结402 孙家崖公路隧道单侧壁导坑法有限元模拟分析412.1 有限元分析模型412.2有限元计算结果分析422.3 小结493 两种开挖方式的对比与分析50第四章 孙家崖公路隧道锚杆施做方式的有限元分析53一、隧道径向锚杆法模拟531.1 有限元分析模型531.2 有限元分析结果541.3 小结62二、隧道锚杆与水平夹角150方向法模拟622.1 有限元分析模型622.2 有限元分析结果632.

3、3 小结71三、对比分析与结论723.1 位移的对比723.2 初衬应力的对比723.3 锚杆轴力的对比733.4 结论73第一章 有限元分析的理论和计算方法在有限元分析中，采用岩土工程二维弹塑性有限元法进行衬砌与围岩的静力分析，其要点简述如下。1 材料的弹塑性应力应变关系采用增量弹塑性应力应变关系 (1.1)式中 应力向量为： (1.2) 应变向量为： (1.3) 弹塑性矩阵为： (1.4) 弹性矩阵为： (平面应变问题) (1.5) 材料的弹性模量和泊松比 材料硬化参数 屈服函数2 屈服准则采用Mohr-Coulomb屈服准则，即： (1.6)式中 应力的第一不变量； 偏应力的第二不变量；

4、 罗地角； 材料的粘聚力和内摩擦角。3 体系有限元离散化和平衡方程的建立采用8节点等参数有限元将围岩与衬砌离散化，单元节点力与节点位移之间的关系为： (1.7)式中 单元刚度矩阵。 (1.8)其中 分别为节点的水平和竖向位移。单元刚度矩阵按下式计算： (1.9)式中 单元的几何矩阵，对于8节点等参单元： (1.10)其中 () (1.11) 形函数。将各单元对体系的贡献迭加，即可得到体系的总刚度矩阵： (1.12)联系体系节点位移与外荷载的平衡方程为： (1.13)式中 体系的节点位移向量； 荷载列阵。4 荷载列阵的计算用释放荷载法进行计算。 在有限元网格上边界和左右边界上作用有根据自重力算出

5、的边界荷载，侧压力系数=0.778。根据作用在单元边界上的分布荷载，按虚功原理可算出等效节点荷载为： (1.14)式中 、法向和切向的分布荷载； 加荷边长度。围岩和衬砌自重节点力可按下式计算： (1.15)式中 体力，其中分别为体力的水平和竖向分力。通常：。体系总节点荷载由上述几项构成。5 平衡方程的求解采用切线刚度法进行迭代计算，每次迭代中采用高斯消元法求解体系的平衡方程(1.13)。采用节点位移增量的收敛准则判断求解过程的收敛： (1.16)式中 第次迭代所得的第节点的位移增量； 第节点的总位移； 体系的自由度总数； 收敛容许误差百分数。在求解的过程中，体系残余不平衡节点力得到消除。对于超

6、出屈服面的应力进行调整，使之回到屈服面上。6 衬砌内力计算求得衬砌各单元中的各个高斯点的应力分量()后，对于等厚衬砌(对于非等厚衬砌作为近似计算)先计算通过两个高斯点的衬砌截面与竖直面的夹角： (1.17)再计算在所论截面上两个高斯点上的法向应力： (1.18)式中 然后计算所论截面内、外边缘上的法向应力： (1.19)最后计算作用在所论截面上的弯矩M和轴力N： (1.20)式中 b，d所论截面的宽度和厚度，且。 剪力为剪应力与截面积的乘积。7 材料强度发挥系数对于遵从Mohr-Coulomb屈服准则的材料，其强度发挥系数可按下式计算： (1.21)式中 所论高斯点的最大和最小主应力。当时，即

7、认为所论高斯点已进入了塑性状态。围岩塑性区即由的高斯点和开挖边界所构成。8 衬砌截面强度检算算出衬砌内力后，需进行强度检算，检查所得的安全系数是否满足隧道设计规范所要求的数值。即： (1-22)式中 N极限截面的极限承载力（轴力） N 截面的实际轴力K规隧道设计规范所规定的强度安全系数。当抗压强度控制（）时，有 (1-23)式中 构件的纵向弯曲系数，取=1； 混凝土的极限抗压强度，对于喷锚支护取=20MPa，对于二次衬砌取=12.5MPa； 截面宽度（计算长度）；截面厚度（衬砌厚度）；轴力偏心影响系数，按下式计算截面轴力偏心距。当抗拉强度控制（）时，有 (1-24)式中 混凝土的极限抗拉强度，

8、对于喷锚支护取=2MPa，对于二次衬砌取=1.33MPa。第二章 孙家崖公路隧道右线衬砌和围岩体系的有限元分析1 孙家崖隧道台阶法有限元模拟分析对进口处滑坡段浅埋隧道进行施工模拟，选取RK0+651.5断面，以塑性理论为理论基础，采用MIDAS-GTS软件建立有限元模型，以台阶法为开挖方法，对衬砌与围岩在施工工程中受力与变形进行分析,得到支护与围岩的受力和变形特征，为下一步施工提供理论依据。1.1 有限元分析模型（1）有限元模型的相关参数强风化泥岩参数：密度=2100 kg/m3，泊松比=0.35，内摩擦角=21.3°，粘聚力C=0.031 MPa，弹性模量E =0.5 GPa，侧压

9、力系数Ko=0.54；滑坡面以上粉质黏土碎石土参数：密度=1900 kg/m3，泊松比=0.4，内摩擦角=16.5°，粘聚力C=0.026 MPa，弹性模量E =0.2 GPa，侧压力系数K0 =0.67；滑带土抗剪强度：天然状态下内摩擦角=22.1°，粘聚力C=0.031 Mpa；在暴雨状态下内摩擦角=20.5°，粘聚力C=0.020 Mpa初衬参数：密度=2500 kg/m3，泊松比=0.2，弹性模量E =21 GPa；钢拱架参数：密度=7850 kg/m3、泊松比=0.17、弹性模量E =200 GPa。考虑地应力释放系数，即对每个部分开挖时释放60%，施做

10、钢拱架时释放30%，喷混时再释放10%。（2）开挖方法示意图和有限元网络如图1、图2所示。图1.1 开挖示意图图1.2 有限元网络图1.2 有限元分析结果下列图形为用MIDASGTS软件模拟出的上台阶开挖结束和下台阶开挖结束后，围岩位移、衬砌和钢拱架的应力图。（1）上断面开挖支护后的围岩位移、衬砌和钢拱架的应力图图1.3 上台阶开挖支护结束后围岩水平方向位移图1.4 上台阶开挖结束后工字钢水平方向位移图1.3显示的是上台阶开挖支护结束后围岩水平方向位移，从图上可以看出随着隧道上断面的开挖，围岩产生了水平移动，围岩上的初衬的最大水平位移为-0.019m，位于右拱腰处，拱顶处的水平位移-0.001

11、4m；图1.4显示的是上台阶开挖结束后工字钢水平方向位移，图中的工字钢的位移变化时放大后的变化情况。图1.5 上台阶开挖支护结束后围岩竖直方向位移图1.6 上台阶开挖支护结束后工字钢竖直方向位移图1.5显示的是上台阶开挖支护结束后围岩竖直方向位移，从图上可以看出，随着上断面的开挖，隧道上方出现了一定程度的下沉；图1.6显示的是上台阶开挖支护结束后工字钢竖直方向位移，图中显示的工字钢是扩大后的变形情况，如图中所示，工字钢最大竖直位移为-0.0258m，位于隧道左侧，拱顶处的竖直位移为-0.024m。图1.7 上台阶开挖结束钢拱架轴应力图1.8 上台阶开挖结束钢拱架弯矩图图1.7显示的是上台阶开挖

12、结束钢拱架轴应力，如图上所示，不同的颜色区域代表了不同值，工字钢的最大轴应力为-170.9Mpa，拱顶处的应力值为-98.4 Mpa，从图上也可以知道，工字钢的左侧轴应力大于右侧轴应力；图1.8显示的是上台阶开挖结束钢拱架弯矩图，从图中可以看出，工字钢外侧拉应力最大为4.26KN*m，位于隧道右侧，工字钢内侧压应力最大为-4.52 KN*m，位于隧道右上侧。图1.9 上台阶开挖支护结束后喷砼轴应力图图1.9显示的是上台阶开挖支护结束后喷砼轴应力图，如图上所示，不同的颜色区域代表了不同值，拱顶处喷砼的轴应力大于两侧轴应力，拱顶最大轴应力为-2.59 Mpa。2.78m图1.10 上台阶开挖支护结

13、束后塑性区图1.10显示的是上台阶开挖支护结束后的塑性区，随着隧道上断面的开挖，隧道两侧都出现了不同程度的塑性区，最大塑性区范围为2.78m。（2）下断面开挖支护后的围岩位移、衬砌和钢拱架的应力图图1.11 下台阶开挖支护结束后围岩水平方向位移图1.12 下台阶开挖支护结束后工字钢水平方向位移图1.11显示的是下台阶开挖支护结束后围岩水平方向位移，从图上可以看出随着隧道下断面的开挖，围岩产生的水平移动逐渐增大；图1.12显示的是上台阶开挖结束后工字钢水平方向位移，图中的工字钢的位移变化时放大后的变化情况，工字钢的最大水平位移为-0.082m，位于右拱脚处，拱顶处的水平位移-0.0037m，左拱

14、腰处的水平位移为0.071m，右拱腰处的水平位移为-0.059m（“-”表示向左），左拱脚处的水平位移为0.057m。图1.13 下台阶开挖支护结束后围岩竖直方向位移图1.14 下台阶开挖支护结束后工字钢竖直方向位移图1.13显示的是下台阶开挖支护结束后竖直方向位移，从图中可以看出，随着隧道下断面的开挖围岩竖直位移在增加，拱顶上方的围岩明显的向下沉降；图1.14显示的是下台阶开挖支护结束后工字钢竖直方向位移，从图中显示的数据可看出，工字钢的最大竖直位移为-0.076m，位于左拱腰处，右拱腰处的工字钢竖直位移为-0.06m，拱顶处的竖直位移为-0.042m，左拱脚处的竖直位移为-0.011m，右

15、拱脚处的竖直位移为-0.015m。图1.15 下台阶开挖支护结束后钢拱架轴应力图图1.16 下台阶开挖支护结束后钢拱架弯矩图1.15显示的是下台阶开挖支护结束后钢拱架轴应力图，从图中可以看出，上断面工字钢轴应力大于下断面工字钢的轴应力，左上侧工字钢的轴应力比较大，最大值为-169Mpa，拱顶处的轴应力为-110Mpa，右拱腰处的轴应力为-96.7Mpa，左拱腰处的轴应力为-84.3Mpa，左拱脚处的轴应力为-11.9Mpa，右拱脚处的轴应力为-14.1Mpa（“-”表示受压）。图1.16显示的是下台阶开挖支护结束后钢拱架弯矩，工字钢内侧受到的最大压应力为23.3KN.m，位于右拱脚处，工字钢外

16、侧受到的最大拉应力为9.16KN.m，位于左拱腰脚处。图1.17 下台阶开挖支护结束后喷砼轴应力 图1.17显示的是下台阶开挖支护结束后喷砼轴应力，从图中可以看出，拱顶处轴应力比较大，最大轴应力为-4.15Mpa，左拱腰处的轴应力为-1.09Mpa，左拱腰处的轴应力为-1.51Mpa，左拱脚处的轴应力为-0.61Mpa，右拱脚处的轴应力为-0.42Mpa（“-”表示受压）。3.71m图1.18 开挖支护结束后围岩塑性区图1.18显示的是开挖支护结束后围岩塑性区，随着隧道断面的进一步开挖，隧道两侧的塑性区范围也在增大，最大塑性区范围为3.71m。图1.19 开挖支护结束后滑坡的水平位移图1.19

17、显示的是开挖支护结束后滑坡的水平位移，图上显示的是抗滑桩和滑坡体，为了充分显示抗滑桩的性质，把抗滑桩等效为一个连续的墙，图中显示的数据就是设置了抗滑桩后的滑坡体在隧道开挖后的水平位移，最大水平位移为-0.014m。1.3 小结本模拟是以塑性理论为基础，以孙家崖隧道在建工程为背景运用MADIS-GTS有限元分析软件来模拟，把抗滑桩看作梁单元，采用台阶法的开挖方式，通过支护结构检算采用二维弹塑性有限元法分析了特大断面山岭隧道各个施工阶段以及建成后围岩和衬砌的受力状态。（1）通过对孙家崖隧道开挖支护的施工模拟，得出隧道初衬的沉降和水平位移，隧道内初衬最大沉降为7.64cm，此点位于左拱腰处，拱顶处沉

18、降为4.2cm；右拱腰处的沉降为6.0cm；左拱脚处的沉降为1.1cm；右拱脚处的沉降为1.5cm；隧道内最大水平位移为-0.082m，位于右拱脚处，拱顶处的水平位移-0.0037m，左拱腰处的水平位移为0.071m，右拱腰处的水平位移为-0.059m（“-”表示向左），左拱脚处的水平位移为0.057m。（2）工字钢上断面轴应力大于下断面的轴应力，左上侧工字钢的轴应力为最大，最大值为-169Mpa，拱顶处的轴应力为-110Mpa，右拱腰处的轴应力为-96.7Mpa，左拱腰处的轴应力为-84.3Mpa，左拱脚处的轴应力为-11.9Mpa，右拱脚处的轴应力为-14.1Mpa（“-”表示受压）；工字

19、钢受到的最大弯矩为23.3KN.m，位于右拱脚处；喷砼受到的轴应力拱顶处力比较大，最大轴应力为-4.15Mpa，左拱腰处的轴应力为-1.09Mpa，左拱腰处的轴应力为-1.51Mpa，左拱脚处的轴应力为-0.61Mpa，右拱脚处的轴应力为-0.42Mpa（“-”表示受压）。（3）上台阶开挖支护结束后的最大塑性区范围为2.78m，且隧道两侧都出现了不同程度的塑性区，随着下断面的开挖，塑性区不断的增大，最大塑性区范围为3.71m，塑性区都分别位移隧道两侧，这就要求在制作锚杆时，要适当的加长。（4）开挖支护结束后隧道上部的滑坡也出现了不同程度移动，最大水平位移为-0.014m（“-”表示向左移动），

20、由于在模拟中已考虑了抗滑桩的作用，所以水平位移比较小。（5）采用台阶法开挖支护结束后，工字钢左上侧的应力值最大，左上侧工字钢的轴应力为最大，最大值为-169Mpa，拱顶处的轴应力为-110Mpa（“-”表示受压），实际监测的工字钢左上侧的轴应力为最大，最大应力值为-169.98Mpa，位于左上侧，拱顶处的应力值为-150.26Mpa，模拟结果和实际监测结果数值比较接近；喷砼模拟的拱顶处为应力最大，最大为4.15Mpa，实际监测的最大应力也位于拱顶，最大为17.76 Mpa。2 孙家崖隧道单侧壁导坑法有限元模拟分析对进口处滑坡段浅埋隧道进行施工模拟，选取RK0+651.5断面，采用MIDAS-G

21、TS软件建立有限元模型，以侧壁导坑法为开挖方法，以塑性理论为理论基础，对衬砌与围岩在施工工程中受力与变形进行分析。分析中对支护结构和围岩体系进行受力和变形分析，得到支护与围岩的受力和变形特征，为下一步施工提供理论依据。2.1 有限元分析模型（1）有限元模型有限元分析断面选在浅埋段，并且按浅埋隧道进行计算，开挖顺序和有限元网格（50×50m）分别如图2和图3所示，共划分2894个单元，2768个节点。图2.1开挖示意图图2.2 有限元网格（2）有限元模型的相关参数强风化泥岩参数：密度=2100 kg/m3，泊松比=0.35，内摩擦角=21.3°，粘聚力C=0.031 MPa，

22、弹性模量E =0.5 GPa，侧压力系数Ko=0.54；滑坡面以上粉质黏土碎石土参数：密度=1900 kg/m3，泊松比=0.4，内摩擦角=16.5°，粘聚力C=0.026 MPa，弹性模量E =0.2 GPa，侧压力系数K0 =0.67；滑带土抗剪强度：天然状态下内摩擦角=22.1°，粘聚力C=0.031 Mpa；在暴雨状态下内摩擦角=20.5°，粘聚力C=0.020 Mpa；初衬参数：密度=2500 kg/m3，泊松比=0.2，弹性模量E =21 GPa；二衬参数：密度=2500 kg/m3，泊松比=0.2，弹性模量E =28 GPa；钢拱架参数：密度=785

23、0 kg/m3、泊松比=0.17、弹性模量E =200 GPa。考虑地应力释放系数，即对每个部分开挖时释放60%，施做钢拱架时释放30%，喷混时再释放10%。2.2有限元计算结果分析（1）开挖支护后初衬的位移和应力变化结果图图2.3 左上导开挖支护结束后围岩的水平位移图2.4 左上导开挖支护结束后围岩的竖直位移图2.3显示的是左上导开挖支护结束围岩的水平位移,从图中可以看出围岩周围随着围岩的开挖，出现了水平移动，隧道右上侧水平位移最大，为-0.0086m（“-”表示相左移动）；图2.4显示的是左上导开挖支护结束后围岩的竖直位移，如图上显示的最大竖直位移为-0.0077m（“-”表示相下移动）。

24、图2.5 右上导开挖支护结束后围岩的水平位移图2.6 右上导开挖支护结束后围岩的竖直位移图2.5显示的是右上导开挖支护结束后围岩的水平位移，从图中可以看出，随着下导坑的开挖，围岩的水平位移也在增大，最大水平位移为-0.022m，此处位于隧道最大跨度处上侧，拱顶处的水平位移为-0.011m（“-”表示向左移动）；图2.6显示的是右上导开挖支护结束后围岩的竖直位移，从图上可以看出竖直最大位移为-0.019m，位于左最大跨度处上侧，拱顶处的竖直位移为-0.018m（“-”表示向下）。图2.7 左下导开挖支护结束后围岩的水平位移图2.8 左下导开挖支护结束后围岩的竖直平位移图2.7显示的是左下导开挖支

25、护结束围岩的水平位移，从图中显示的数据可以看出水平最大位移为0.031m，位于左侧最大跨度处，向左水平最大位移为-0.029m， 拱顶处的水平位移为-0.01m（“-”表示向左）；图2.8显示的是左下导开挖支护结束围岩的竖直位移，从图中可以看出竖直最大位移为-0.038m，位移隧道左侧拱腰处，拱顶最大竖直位移-0.025m（“-”表示向下）。图2.9 开挖支护结束后围岩的水平位移图3.0 开挖支护结束后围岩的竖直位移图2.9显示的是围岩开挖支护结束后最终的围岩水平位移，从图中可以看出，向左水平最大位移为-0.049m，位于隧道右侧最大跨度处，在隧道左侧最大跨度处出现向右水平最大位移为0.03m

26、,拱顶水平位移为-0.011m，左拱脚处的水平位移为0.008m，右拱腰处的水平位移为-0.032m（“-”表示向左）；图2.10显示的是开挖支护结束后最终的围岩竖直位移，从图中可以看出，竖直最大位移为-0.0391m，位于左最大跨度处上侧，拱顶处竖直位移为-0.028m，隧道左侧最大跨度处竖直位移为-0.0385m，隧道右侧最大跨度处竖直位移为-0.0355m，左拱脚处竖直位移为0.0001m，右侧拱脚处竖直位移为0.003m。图2.11 开挖支护结束后工字钢的轴应力图2.12 开挖支护结束后工字钢的弯矩图2.13 开挖支护结束后喷砼的轴应力图2.11显示的是围岩开挖支护结束后工字钢的轴应力

27、图，从图中可以看出工字钢右侧的轴应力大于左侧的轴应力，最大应轴力为-134.01Mpa，位于隧洞右侧，拱顶处的轴应力为-113.4Mpa（“-”表示受压）；图2.12显示的是围岩开挖支护结束后工字钢的弯矩图，从图中可以看出工字钢的弯矩受力情况，拱架外侧最大弯矩为11.4KN.m，位于最大跨度处，拱架内侧的最大弯矩-18.4KN.m，位于隧道左上侧；图2.13显示的是围岩开挖支护结束后喷砼的轴应力图，从图上可以看出最大轴应力为-4.16Mpa，位于喷砼的右侧，拱顶的轴应力为-2.88Mpa（“-”表示受压）。从初衬的应力图中我们可以看出，围岩右侧的应力比较大，而拱顶处的竖直应力小于围岩右侧的水平

28、应力，而在最大跨度处，初衬的弯矩比较大，钢拱架容易在此处变形。 （2）围岩塑性区变化图和滑坡位移图3.65m3.63m图2.14 开挖支护结束后围岩的塑性区图2.14显示的开挖结束后围岩的塑性区，从图中可以看出围岩的塑性区比较大，分别位于隧道的两测，最大塑性变形的范围为3.65m。图2.15 开挖支护结束后滑坡的水平位移图2.15显示的是隧道断面开挖支护结束后滑坡的水平位移，从图中可以看出，随着隧洞的开挖，滑坡出现了水平移动，最大的水平位移为-0.017m（“-”表示向左），位移情况如上图所示。2.3 小结本模拟是以塑性理论为基础，以孙家崖隧道在建工程为背景运用MADIS-GTS有限元分析软件

29、来模拟，把抗滑桩看作梁单元，采用侧壁导坑法的开挖方法，通过支护结构检算采用二维弹塑性有限元法分析了特大断面山岭隧道各个施工阶段以及建成后围岩和衬砌的受力状态。（1）在开挖过程中，左上导坑开挖的最大竖直位移为-0.0077m，最大水平位移为-0.0086m；右上导坑开挖的最大竖直位移为-0.019m，最大水平位移为-0.022m；左下导坑开挖的最大竖直位移为-0.038m，向左水平最大位移为-0.029m，向右水平最大位移为0.031m；开挖支护结束后的最大竖直位移为-0.039m，水平最大位移为-0.049m。（2）开挖支护结束后工字钢上断面受到的轴应力大于下端面受到的轴应力，右侧的轴应力大于

30、左侧轴应力，右侧最大轴应力为-134.01Mpa，拱顶处轴应力为-111.4Mpa，左最大跨度处轴应力为-107.9Mpa，右最大跨度处轴应力为-119.2Mpa，左拱脚处轴应力为-94.5Mpa，右拱脚处轴应力为-78.9Mpa；工字钢受到的弯矩变化比较复杂，如图2.12所示，拱架外侧最大弯矩为11.4KN.m，位于最大跨度处，拱架内侧的最大弯矩-18.4KN.m，位于隧道左上侧。（3）开挖支护结束后喷砼左侧轴应力大与右侧轴应力，上断面的轴应力大于下端面的轴应力，喷砼左上侧最大轴应力为-4.16 Mpa，拱顶处轴应力为-2.88Mpa，左最大跨度处轴应力为-2.86Mpa，右最大跨度处轴应力

31、为-1.45Mpa，左拱脚处轴应力为-1.61Mpa，右拱脚处轴应力为-0.87Mpa。但就整个初衬来看，仍然是初衬有侧的应力大于左侧的应力，上断面的应力大于下端面的应力，这也说明隧道右上方的应力比较大。（4）隧道开挖后支护结束后，在隧道两侧形成了一定区域的塑性区，最大的一块塑性区范围为3.65m，这就对锚杆制作有一定的要求；随着洞内的开挖，隧道上方的滑坡也出现了一定程度的滑动，最大的水平位移为-0.017m。3 两种开挖方式的对比与分析本模拟选取山岭特大断面隧道RK0+651.5断面，分别采用了台阶法和侧壁导坑法对该断面进行了开挖和支护的施工模拟，分析了各个阶段围岩和衬砌的受力与变形特征。现

32、将个别节点的受力与变形对比如下：（1）沉降和变形的对比分析表3.1 开挖时最大沉降对比施工方法台阶法侧壁导坑法第一次开挖最大沉降（cm）2.580.77第二次开挖最大沉降（cm）4.81.8第三次开挖最大沉降（cm）7.173.8最终的沉降7.643.91表3.2 两种开挖方式下的一些部位的沉降和变形的数据对比断面施工方法台阶法侧壁导坑法开挖支护结束后拱顶竖直位移(cm)-4.2-2.8拱顶水平变形量(cm)-0.37-1.1左拱腰竖直位移(cm)-7.6-3.85左拱腰水平变形量(cm)7.13右拱腰下沉(cm)-6-3.55右拱腰水平变形量(cm)-5.9-4.9左拱脚竖直位移(cm)-1

33、.10.01左拱脚水平变形量(cm)5.70.8右拱脚竖直位移(cm)-1.50.3右拱脚水平变形量(cm)-8.2-3.2最大塑性区范围(m)3.713.65滑坡最大位移(cm)-1.4-1.7注释：“-”对于竖直位移表示向下，对于水平位移表示向左。分析：表3.1显示的是开挖时最大沉降对比，从表中可以看出，台阶开挖法的最大沉降大于侧壁导坑开挖方法的最大沉降；表3.2显示的是两种开挖方式下的一些部位的沉降变形的数据对比，表中显示的数据也都表明侧壁导坑开挖引起隧道的沉降更小些，而且塑性区也比较小些。（2）初衬应力的对比分析表3.3 两种开挖方式下的喷砼轴应力对比施工方法应力位置台阶法侧壁导坑法喷

34、砼的拱顶轴应力(Mpa)-4.15-2.88喷砼的左拱腰轴应力(Mpa)-1.09-2.86喷砼的右拱腰轴应力(Mpa)-1.51-1.45喷砼的左脚轴应力(Mpa)-0.61-1.61喷砼的右脚轴应力(Mpa)-0.42-0.87表3.4两种开挖方式下工字钢的一些部位的应力数据对比施工方法应力位置留核心土法侧壁导坑法工字钢的拱顶轴应力(Mpa)-110-111.4工字钢的拱顶弯矩(kN.m)-2.34-1.84工字钢的左拱腰轴应力(Mpa)-84.3-107.9工字钢的左腰弯矩(kN.m)6.7810.7工字钢的右拱腰轴应力(Mpa)-96.7-119.2工字钢的右腰弯矩(kN.m)3.16

35、10.1工字钢的左脚轴应力(Mpa)-11.9-94.5工字钢的左脚弯矩(kN.m)-9.75-10.7工字钢的右脚轴应力(Mpa)-14.1-78.9工字钢的右脚弯矩(kN.m)-10.3-1.27注释：“-”对于轴应力表示的是受压，对于弯矩表示的是受拉。分析：表3.3显示的是两种开挖方式下的喷砼轴应力对比，从表中可以看出台阶法开挖下的喷砼的应力值和侧壁导坑法开挖下的喷砼的轴应力值差不多，围岩应力对喷砼的应力值影响不是很大；表3.4显示的是两种开挖方式下工字钢的一些部位的应力数据对比，从表中可以看出台阶法开挖下的工字钢的一些部位的轴应力小于侧壁导坑法开挖下工字钢的一些部位轴应力。从两个表中也

36、可以看出，隧道左上侧和右上侧的初衬应力比较大，工字钢的应力值大于喷砼的应力值，台阶法开挖隧道产生的应力值小于侧壁导坑法开挖隧道产生的应力值。（3）支护结构检算分析 通过台阶法施工模拟开挖结束时的情况，得出拱顶初沉降为4.2cm，左拱腰处沉降的位移为7.6cm；右拱腰处的沉降为6cm；左拱脚处的沉降为1.1cm；右拱脚处的沉降为1.5cm。拱顶沉降在预留变形量15cm之内，设计的是合理的。 侧壁导坑开挖时最大沉降发生在最大跨度上侧为3.91cm，向左水平最大位移为-0.049m，位于隧道右侧最大跨度处，在隧道左侧最大跨度处出现向右水平最大位移为0.03m；拱顶处由于有临时支撑，位移比较小，水平最

37、大偏移为-1.1cm（“-”表示向左），竖直最大沉降为2.8cm。 通过表3.1与表3.2台阶法与侧壁导坑法沉降变形对比得出，在开挖过程中，台阶法施工沉降较大，而侧壁导坑法沉降相对较少。 采用台阶法施工，施工进度快，操作简单，造价低，一次性支护拆除少，变形较大；而采用侧壁导坑开挖法施工，施工进度慢，操作复杂，造价少高，一次性拆除较多，变形小。隧道的开挖过程中，对隧道围岩产生了塑性区，主要是在隧洞两侧，塑性区范围为3.71m，这就要求对锚杆的制作有特殊的要求；隧道的开挖也引起了滑坡的移动，由于两种模拟都考虑了抗滑桩的作用，所以滑坡移动的比较小，最大位移为-0.014m（“-”表示向左移动）。采用

38、台阶法开挖支护结束后，工字钢左上侧的应力值最大，左上侧工字钢的轴应力为最大，最大值为-169Mpa，拱顶处的轴应力为-110Mpa（“-”表示受压），实际监测的工字钢左上侧的轴应力为最大，最大应力值为-169.98Mpa，位于左上侧，拱顶处的应力值为-150.26Mpa，模拟结果和实际监测结果数值比较接近；喷砼模拟的拱顶处为应力最大，最大为4.15Mpa，实际监测的最大应力也位于拱顶，最大为17.76 Mpa。所以本模拟的应力比较接近实际监测的数据。对于围岩沉降和变形，由于实际施工过程中受到施工工艺、支护时间、多方向的受力的影响，而二维平面模拟只考虑一个平面结构，所以模拟的围岩沉降和变形要比实

39、际监测的围岩沉降和变形小。（4）抑制隧道变形的技术措施初期支护应具有足够的刚度和强度，在联合支护体系中，对于级山岭隧道，可采用型钢刚架。避免超欠挖，尽可能的使开挖断面圆顺，以减少应力集中。开挖后围岩暴露时间不宜超过4小时，应及时施做良好的初期支护，对拱脚、边墙中部及墙基三个关键部位要给予充分重视。在喷混凝土施工中，初喷对于土质地层来说是不可缺少的工序。在施工全过程中，应不断进行变形量测，对于不利断面应尽早采取补救措施。施工用水和围岩渗水要及时排除，不要淤积在拱脚和墙脚。尽可能的及时施做仰拱。在施工全过程中，注意锁脚锚杆的施工质量，严格按设计图施工。第三章 孙家崖公路隧道左线衬砌和围岩体系的有限

40、元分析1 孙家崖隧道台阶法有限元模拟分析对进口处滑坡段浅埋隧道进行施工模拟，选取LK0+699.5断面，以塑性理论为理论基础，采用MIDAS-GTS软件建立有限元模型，以留核心土法为开挖方法，对衬砌与围岩在施工工程中受力与变形进行分析，得到支护与围岩的受力和变形特征，为下一步施工提供理论依据。1.1 有限元分析模型强风化泥岩参数：密度=2100 kg/m3，泊松比=0.35，内摩擦角=21.3°，粘聚力C=0.031 MPa，弹性模量E =0.5 GPa，侧压力系数Ko=0.54；滑坡面以上粉质黏土碎石土参数：密度=1900 kg/m3，泊松比=0.4，内摩擦角=16.5°

41、，粘聚力C=0.026 MPa，弹性模量E =0.2 GPa，侧压力系数K0 =0.67；滑带土抗剪强度：天然状态下内摩擦角=22.1°，粘聚力C=0.031 Mpa；在暴雨状态下内摩擦角=20.5°，粘聚力C=0.020 Mpa；初衬参数：密度=2500 kg/m3，泊松比=0.2，弹性模量E =21 GPa；钢拱架参数：密度=7850 kg/m3、泊松比=0.17、弹性模量E =200 GPa。考虑地应力释放系数，即对每个部分开挖时释放30%，施做钢拱架时释放40%，喷混时再释放30%。开挖方法示意图和有限元网络，如图1、图2所示。图1.1 开挖示意图图1.2 有限元网

42、络图1.2 有限元分析结果下列图形为用MIDASGTS软件模拟出的上台阶开挖结束和下台阶开挖结束后，围岩位移、衬砌和钢拱架的应力图。（1）上断面开挖支护后围岩位移、衬砌和钢拱架的应力图图1.3 上台阶开挖结束后围岩水平方向位移图1.3显示的是上台阶开挖支护结束后围岩的水平方向的变形，从图中可以看出围岩的水平位移，图中显示的水平最大位移为0.038m，拱顶处最大水平位移为-0.03m（“-”表示相左），位值和位移如图所示。图1.4 上台阶开挖支护结束围岩竖直方向位移图1.4显示的是上台阶开挖支护结束后围岩的竖直位移，图中显示的可以看出随着围岩隧洞的开挖，隧洞上方出现了围岩的下沉；图中可以看出围岩

43、的最大竖直位移为-0.122m，拱顶处最大位移为-0.047m，如上图所示。图1.5 上台阶开挖支护结束后钢拱架轴应力图（单位：Mpa）图1.6 上台阶开挖支护结束后钢拱架弯矩图（单位：KN.m）图1.7 上台阶开挖支护结束后喷砼轴应力图（单位：Mpa）图1.5显示的是上台阶开挖支护结束后钢拱架轴应力图，从图中可以看出工字钢右侧的轴应力大于左侧的轴应力，最大应力为-37.8 Mpa，位于钢拱架的左侧，拱顶处的轴应力为-22.6（“-”表示受压）；图1.6显示的上台阶开挖支护结束后钢拱架弯矩图，从图中可以看出工字钢的弯矩受力情况，最大弯矩为12.2KN.m位于左上侧。图1.7显示的是上台阶开挖支

44、护结束后喷砼轴应力图，从图上可以看出最大轴应力为-3.97 Mpa，位于喷砼的右侧，拱顶的轴应力为-2.37 Mpa（“-”表示受压）；从初衬的应力图中我们可以看出，围岩右侧的应力比较大，而拱顶的竖直应力小于围岩一侧的水平应力，而且在左侧的滑坡面处出现应力突然的减小，无论是从钢拱架的轴应力和弯矩，还是喷砼的轴应力上看，都在滑面处突然变化。图1.8 上断面开挖结束后围岩的塑性区图1.8 显示的开挖结束后围岩的塑性区，从图中可以看出围岩的左上侧的塑性区比较大，一直延伸到地面，但在左上侧塑性区内比较严重的塑性变形的最大范围为5.21m。（2）下断面开挖支护 图1.9 下台阶开挖结束后围岩水平方向位移图1.8显示的是下台阶开挖支护结束后围岩的水平方向的变形，从图中可以看出围岩的水平位移，图中显示的水平最大位移为0.141m，拱顶处最大水平位移为-0.071m，左拱腰处的水平位移为0.019m，右拱腰处的水平位移为-0.035m，左拱脚处水平位移为-0.005m，右拱脚处的水平位移为-0.031m（“-”表示相左），其它地方的位移如上图所示。图1.10 下台阶开挖结束后围岩竖直方向位移图1.9显示的是下台