非等压荷载作用下隧道塑性区与扰动应力场分布规律

作者：聂金诚; 杨文波; 寇昊; 何川; 曾泽润; 谭芝文

来源：铁道标准设计, 2023, 1-11.

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.202305300007

• 隧道工程
• 非等压荷载
• 塑性区
• 扰动应力
• 数值模拟

为探究隧道在非等压荷载作用下的塑性区与扰动应力场分布规律，以华丽高速东马场1号隧道工程为例，基于HOEK-Brown 强度准则推导非等压条件下圆形隧道塑性区半径的隐式方程，借助MATLAB数学软件计算塑性区半径，采用FLAC3D有限差分软件进行数值模拟对比验证，综合分析各因素对隧道塑性区与扰动应力场分布规律的影响。研究表明，隧道塑性区形状由侧压力系数λ决定，且塑性区总是集中于较小地应力方向；侧压力系数由0.5增至1.7的过程中，塑性区范围在水平方向上缩小，竖直方向上增大，塑性区形状由“葫芦形”转化为椭圆形，当侧压力系数等于1时变为圆形，而后随侧压力系数的增大转为椭圆形与“葫芦形”；塑性区大小与隧道半径r0、扰动参数D、地应力P正相关，与岩石材料常数mi、地质强度指标GSI负相关；扰动应力场分布受侧压力系数λ与地应力P影响较大，受扰动参数D、岩石材料常数mi、地质强度指标GSI影响较小，几乎不受隧道半径r0的影响；切向扰动应力σz的峰值集中在2～3倍洞径处，与塑性区半径相对应，λ=0.5时的峰值应力较λ=1.7时大36.72%；随着与隧道的距离增加，扰动应力场逐渐趋向于初始应力场，并在超过8倍洞径后基本上可视为与初始应力场相等。理论计算、数值模拟和现场实测结果相吻合，最大差值小于0.5 m，验证了隧道塑性区边界隐式方程的准确性与合理性。

• 单位
  西南交通大学; 中建隧道建设有限公司