軟弱圍巖隧道施工數(shù)值模擬分析

祝云華

(內(nèi)江師范學院 物理系，四川 內(nèi)江 641112)

隨著我國國民經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，公路客貨運輸量大幅度增長，高速公路成為中國公路建設的主流。由于隧道工程具有獨特的優(yōu)勢而得到了廣泛的應用，并取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。但是由于隧道支護結構所處的環(huán)境條件較為復雜，圍巖物理力學指標、荷載和結構抵抗能力等都不明確，給隧道支護結構的設計帶來一定的盲目性［1-2］。采用數(shù)值分析方法對長大隧道圍巖穩(wěn)定性進行理論分析，可以彌補經(jīng)驗類比設計的不足，驗算設計可靠性，分析隧道圍巖的受力和變形特點，對工程施工有很好的指導作用。

目前公路隧道的施工主要采用新奧法，其根據(jù)隧道的圍巖性質(zhì)的不同，主要采用全斷面一次開挖法、臺階開挖法、分部開挖法等［3-6］，但目前施工中其應力和應變均是在開挖完成后再進行測量的，主要的原因是無法在隧道開挖之前進行相應元器件的施工，導致隧道在施工過程中經(jīng)常發(fā)生安全事故。因此為了對施工安全性進行指導，本文對施工過程中隧道圍巖應力和應變的變化情況進行了探討，運用數(shù)值方法中的有限元法對隧道進行計算分析以及評價其圍巖穩(wěn)定性，為本工程及其他類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某隧道是國家重點高速公路杭州至蘭州線重慶巫山至奉節(jié)段的重要組成部分，隧道位于重慶市巫山縣楚陽鄉(xiāng)滴水巖村至某鎮(zhèn)風嶺村境內(nèi)，進口位于楚陽鄉(xiāng)滴水巖村范家河西岸山坡上，出口位于某鎮(zhèn)風嶺村。隧道最大埋深約435 m，起訖樁號左線 ZK4+710—ZK9+292，長4 582 m，右線 YK4+729—YK9+335，長4 606 m。隧道位于中低山臺地及中低山深切谷地斜坡地貌區(qū)，隧道穿過中低山山脊下部，區(qū)內(nèi)最高高程1 082.0 m。

在工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征方面，隧道圍巖主要由巴東組(T2b)灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖及第四系殘坡積碎石土(Qel+dl)組成，裂隙發(fā)育，巖石較為破碎，地質(zhì)狀況較為復雜。圍巖級別為Ⅱ～Ⅴ級，穩(wěn)定性較差，在施工中有可能出現(xiàn)冒頂坍塌等問題;隧道水文地質(zhì)條件較復雜，隧道洞室會有滲流現(xiàn)象產(chǎn)生，地下水對隧道有影響。

隧道為上下線分離的四車道高速公路隧道，建筑限界凈寬10.25 m，凈高5.00 m。隧道拱部采用單心半圓，側墻為大半徑圓弧的單曲墻式襯砌。根據(jù)隧道埋深及圍巖級別的不同，隧道共設計了9種復合襯砌形式，其中Ⅴ級圍巖的復合襯砌支護見圖1。

2 隧道計算模型和參數(shù)

2.1 隧道有限元計算模型

在本次模擬計算中，隧道的有限元計算采用隧道初期支護受力模式，模擬分析施工順序對初期結構的受力與變形的影響。

根據(jù)某隧道斷面尺寸，采用大型通用有限元計算軟件ANSYS對某隧道S5b復合襯砌類型的ZK4+920斷面進行數(shù)值模擬，建立有限元分析模型。隧道最大開挖寬度12.62 m，最大開挖高度7.88 m。模型左、右邊界計算范圍取45.00 m，上部邊界計算范圍取至地表(隧道埋深420 m)，下部邊界計算范圍取50 m。計算模型的左右邊界分別受到X軸方向的位移約束，模型的地層下部邊界受到Y軸方向的位移約束，計算模型如圖2所示。

圖1 隧道Ⅴ級圍巖襯砌設計(單位:cm)

圖2 計算模型

2.2 有限元選用的計算參數(shù)

根據(jù)隧道圍巖的物理力學性質(zhì)，在本次計算當中，采用了彈塑性的非線性有限元法。在有限元計算中，圍巖材料的本構模式采用Drucker-Prager模型，以計算支護結構與地層在開挖過程中發(fā)生的非線性變形特性。利用對有限元計算單元進行激活與失效的處理功能來模擬隧道施工的分步開挖過程。

根據(jù)等效原則來模擬鋼拱架，即將鋼拱架的彈性模量折算給圍巖加固區(qū)，折算后的彈性模量可按式(1)給出。計算中各材料單元的力學參數(shù)取值如表1所示。

式中，E為折算后混凝土彈性模量(MPa);E0為原混凝土彈性模量(MPa);Sg為鋼拱架截面積(m2);Eg為鋼材彈性模量(MPa);Sc為混凝土截面積(m2)。

表1 單元力學參數(shù)

3 數(shù)值模擬及結果分析

3.1 模擬計算工況

隧道ZK4+920斷面數(shù)值模擬過程中采用上、下臺階法開挖，臺階長度為4 m，開挖循環(huán)進尺為2 m，隧道開挖與支護方式見圖3。施工工序如下:上臺階開挖，上臺階拱墻先施作系統(tǒng)錨桿，長度4 m，間距1.0 m×1.0 m，梅花形布置，再施作C20噴混凝土22 cm;下臺階開挖，下臺階邊墻施作系統(tǒng)錨桿，長度4 m，間距1.0 m×1.0 m，梅花形布置，再施作C25噴混凝土25 cm;最后施作C25鋼筋混凝土45 cm。

在模擬隧道臺階法開挖過程中，本文研究的重點是隧道周邊各關鍵點的施工力學效應，定義隧道周邊3個特征關鍵點(與監(jiān)控量測各個測點的位置一致)，如圖4所示，分別表示為1、2、3點。在計算結果中，分別提取這3個特征關鍵點在各個施工階段的位移值。

圖3 斷面開挖方式

圖4 隧道周邊特征關鍵點位置

3.2 模擬計算結果分析

對建立的有限元模型進行求解計算，得到混凝土襯砌初期支護后圍巖應力場、位移場及支護軸力情況。圖5～圖10列出了隧道采用上下臺階法開挖時的應力位移等值云圖。

圖5 上臺階應力云圖(單位:Pa)

圖6 上臺階位移云圖(單位:m)

從圖5～圖10中可以看出，上臺階開挖完成后，在開挖面底部出現(xiàn)較大的拉應力，最大水平拉應力達0.812 MPa，最大豎向拉應力達3.154 MPa，這是由于去除了該處圍巖的附加應力和自重應力而受彎產(chǎn)生的;在開挖面的拱腳出現(xiàn)了最大剪應力，最大剪應力為5.022 MPa;上臺階開挖對豎向應力場造成較大的影響，對開挖面以下2倍開挖面高度范圍內(nèi)的圍巖均有不同程度影響，開挖面附近的影響程度最大。初期支護的拱腰處所受的彎矩和軸力最大，最大彎矩值為155.496 kN·m，最大軸力為 2.092×104kN。

圖7 上臺階噴層軸力云圖(單位:N)

圖9 下臺階位移云圖(單位:m)

圖10 下臺階軸力云圖(單位:N)

下臺階開挖后，圍巖所受的最大剪應力出現(xiàn)在拱腳處，剪應力最大值為19.76 MPa;最大壓應力出現(xiàn)在拱腳處，最大值為44.50 MPa;在初期支護拱腳上方1.5 m左右彎矩值最大，最大值為103.107 kN·m，在起拱線上方1.5 m左右噴層軸力最大，最大值為2.42×104kN。

從圖5、圖6可以看出，上臺階開挖后最大水平方向位移發(fā)生在開挖面拱腳下面約2.8 m處，拱腳處的水平位移指向洞內(nèi);豎直方向的位移最大值在拱頂處，方向指向洞內(nèi)。從圖8和圖9可知，下臺階開挖完成以后，最大水平位移位于拱腰處，而拱頂和拱肩均有較大的豎直方向位移。

為了便于對開挖后圍巖的位移進行分析，表2列出了特征關鍵點在臺階法開挖各個階段的位移值。圖11給出了上下臺階法開挖情況拱下各監(jiān)測點隨進尺圍巖變形的數(shù)據(jù)。

表2 臺階法關鍵點位移值

圖11 拱頂位移隨圍巖進尺關系曲線

從圖11及表2中可以看出，隧道上臺階開挖后，關鍵點1拱頂處位置變形明顯大于下臺階開挖階段，點2位置處無論是上臺階還是下臺階，兩者變形均相近，而對于點3，由于仰拱開挖，此時仰拱處位移，下臺階遠大于上臺階。下臺階開挖后，由于初期支護的施加，圍巖的拱頂變形位移減少了7.8%，周邊變形減少了11.7%，說明在軟弱圍巖中，采取上下臺階法開挖，支護應及時跟進，使得圍巖的變形得到有效的控制，保證施工安全。

3.3 數(shù)值模擬結果對比分析

圖12所示為ZK4+920斷面右洞開挖后使用有限元軟件計算和現(xiàn)場實測值的對比，從圖中可以看到，無論在變化規(guī)律上還是最大值上，計算結果與監(jiān)控量測位移值都可以很好地吻合，說明數(shù)值模擬所采用的模型和參數(shù)是合理的，在一定程度上有現(xiàn)實意義，可以指導現(xiàn)場施工。本次研究的結果可以在地質(zhì)條件相類似的工程中進行推廣，預期可以得到較好的效果。

圖12 計算結果與量測對比

4 結論

1)從應力和應變及監(jiān)測數(shù)據(jù)結果來看，對軟弱圍巖采用上下臺階開挖是一種較好的施工方式，可以更好地控制圍巖的變形;

2)鑒于我國目前的實際情況:施工條件有限，且施工環(huán)境較差，大型機械不便運輸，在軟弱圍巖中采用上下臺階的開挖方式較為適合，可以在工程實踐中采用;

3)由于實際工程中地質(zhì)條件的復雜性，模擬單元的力學參數(shù)的取值與實際的不完全吻合，使得量測結果與計算結果有出入，這就進一步體現(xiàn)了巖土工程問題的不確定性，解決這一問題，就得采用半理論半經(jīng)驗的方法，并結合現(xiàn)場監(jiān)控量測，靈活地進行設計和施工。

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