盾構(gòu)法開挖梅嶺隧道施工過程數(shù)值模擬分析

陳 艷，張定邦

(1桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林541004;2湖北理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，湖北黃石435003)

近年來，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路隧道的修建已朝著越修越長(zhǎng)、越修越寬、技術(shù)越來越難的方向發(fā)展。對(duì)于盾構(gòu)隧道開挖引起的地層位移和地表沉降，其作用機(jī)理非常復(fù)雜。但隨著科技的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)以及相關(guān)巖土工程模擬軟件的出現(xiàn)，人們?cè)絹碓街匾曈脭?shù)值模擬技術(shù)［1］來研究隧道開挖引起的地層位移和地表沉降。

1 工程概況

梅嶺隧道位于江西省大余縣與廣東省南雄市交界處，隧道長(zhǎng)4 080 m，最大埋深320 m，是韶贛高速公路的重要構(gòu)筑物，隧道主要穿越寒武系板巖夾、碳質(zhì)板巖和震旦系板巖，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，斷裂、褶皺發(fā)育良好。本文選取的地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，表層為碎石土，下層分別由震旦系碳質(zhì)板巖和砂質(zhì)板巖組成［2］。

2 模型建立

模型物理參數(shù)表如表1所示。

表1 模型物理參數(shù)表

2.1 模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分

本文研究的隧道模型外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，埋深12 m，土層計(jì)算厚度取41 m，計(jì)算寬度取63 m，計(jì)算長(zhǎng)度取60 m［3］。

邊界條件:通過選擇X 軸(X=31.5，X=－31.5 面)、Y 軸(Y=－26 面)、Z 軸(Z=0，Z=－60 面)上的節(jié)點(diǎn)，在左右、前后4 側(cè)土體均施加水平約束，底部土體面施加豎向約束，使土體只能在Y 方向上變形，再施加豎直方向的重力，設(shè)定以向上為正方向。邊界條件和初始應(yīng)力場(chǎng)模擬圖如圖1所示。

圖1 邊界條件和初始應(yīng)力場(chǎng)模擬圖

本文分析先建立平面內(nèi)模型，采用Mesh200進(jìn)行平面內(nèi)的單元?jiǎng)澐?，將劃分好的平面模型沿隧道軸線進(jìn)行拉伸，再采用Solid45 單元?jiǎng)澐煮w，得到隧道及其所在地層的三維實(shí)體模型，共有12 243 個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 868 個(gè)區(qū)域。三維有限元網(wǎng)格圖如圖2所示。

圖2 三維有限元網(wǎng)格圖

3 施工過程模擬

本文中施工過程［4］的開挖分為13 步，每一步的開挖長(zhǎng)度相等。每一步開挖又分為2個(gè)計(jì)算步:第一計(jì)算步模擬開挖、施加注漿壓力，第二計(jì)算步模擬管片襯砌和注漿層硬化。在每步的第一計(jì)算步中，在設(shè)定好的時(shí)間步、坐標(biāo)的條件下，殺死包括核心圖、管片層、注漿層在內(nèi)的土體單元，在選擇的撐子面施加壓力，求解。第二計(jì)算步在第一步求解完成，返回上一菜單后，先殺死核心土單元，然后改變管片和注漿層的材料參數(shù)，在面上施加壓力，取消注漿壓力，求解所有元素。

4 模擬數(shù)據(jù)分析

4.1 地層位移分析

地層沉降主要受地層擾動(dòng)土的固結(jié)及地層沉降損失的影響，地層固結(jié)沉降是由于孔隙水壓力的消散;地層損失則是由于施工對(duì)土體的擾動(dòng)造成的。

本文分析的地層位移是相對(duì)位移，如圖3～8所示。

圖3 第1 步開挖引起的地層位移(m)

圖4 第4 步開挖引起的地層位移(m)

圖5 第8 步開挖引起的地層位移(m)

圖6 隧道貫通后引起的地層位移(m)

圖7 開挖步引起的地層位移沉降(m)

圖8 開挖步引起的地層位移隆起(m)

由圖7 可知，隨著開挖的進(jìn)行，地層位移下沉的最大值出現(xiàn)在隧道的拱頂，在前12 個(gè)開挖步中，沉降值在第3 步、第7 步略有增大，其他步都有略微減小，總體看比較平緩，但當(dāng)?shù)?3步時(shí)，沉降值有明顯增大，其拱頂產(chǎn)生的最大下沉量約為6.2 cm。由圖8 可知，隨著開挖的進(jìn)行，地層位移隆起位移最大值在仰拱處，從開挖的第1 步到第4 步，隆起值有顯著的增大，從第5 步開始，隆起值略有下降，直到第13 步時(shí)，隆起值略有增大。該隧道的隆起值在第4 步后，總體上變化不大，幾乎穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值上，其仰拱處產(chǎn)生的最大隆起值約為5.8 cm。

圖9 第1 步開挖引起的地表沉降(m)

4.2 地表沉降分析

地表沉降［5－6］指的是因開挖引起開挖面圍巖的巖松弛。本文分析的地表沉降云圖如圖9～12所示。

圖10 第5 步開挖引起的地表沉降(m)

圖11 第8 步開挖引起的地表沉降(m)

圖12 隧道貫通后引起的地表沉降(m)

由圖12 可知，隧道貫通后引起的地表沉降變化很大，形成了新的格局，地表沉降的最大值不再是在原點(diǎn)附近，而是發(fā)生在開挖的最后一步所在區(qū)域，且該區(qū)域范圍較大，當(dāng)然，原點(diǎn)處仍有較大的沉降，形成了沉降的區(qū)域兩頭大中間小，最大沉降值約為3.2 cm，最大隆起值約為0.17 cm。

開挖步引起的表層位移沉降如圖13所示。由圖13 可知，隨著開挖的進(jìn)行，表層位移沉降值從第1 步到第5 步逐步增大，到第6 步時(shí)開始略有下降，到第13 步時(shí)，表層位移沉降值又有大幅度的增大。在整個(gè)開挖過程中，第1 步開挖引起的表層位移沉降值最小約為1 cm，第13 步開挖引起的表層位移沉降值最大約為3.5 cm。

開挖步引起的表層位移隆起如圖14所示。由圖14 可知，隨著開挖的進(jìn)行，表層位移隆起值從第1 步到第12 步一直趨于上升的趨勢(shì)，第1 步到第4 步表層位移隆起值增加比較明顯;到了第13 步略有下降。在整個(gè)開挖過程中，第1 步開挖引起的表層位移隆起值最小約為0.04 cm，第12步開挖引起的表層位移沉降值最大約為0.2 cm。

圖13 開挖步引起的表層位移沉降(m)

圖14 開挖步引起的表層位移隆起(m)

4.3 管片結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

隧道最基本的結(jié)構(gòu)單元是管片，管片在正常使用階段承受的荷載能力與施工階段相比有較大差異。由實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)可知，管片在施工過程中更容易開裂，因此非常有必要研究施工過程中管片的受力情況。

圖15 第2 步開挖后管片襯砌應(yīng)力(Pa)

讀入不同計(jì)算步可得出各個(gè)開挖步結(jié)束時(shí)的管片襯砌等效Mises 應(yīng)力云圖，如圖15～20所示。

圖16 第5 步開挖后管片襯砌應(yīng)力(Pa)

圖17 第7 步開挖后管片襯砌應(yīng)力(Pa)

圖18 第11 步開挖后管片襯砌應(yīng)力(Pa)

圖19 開挖步開后管片襯砌應(yīng)力的最小值(Pa)

圖20 開挖步開挖后管片襯砌應(yīng)力的最大值(Pa)

由圖15～20 可知，管片的應(yīng)力云圖的形狀在開挖過程中逐步形成塔狀遞減波形，在圖18 中，管片頂上2 片黃色區(qū)域的間隔變大，最大應(yīng)力位置幾乎沒有改變，最小應(yīng)力也仍出現(xiàn)在開挖的頂端。

由圖19 可知，隨著開挖的進(jìn)行，管片襯砌應(yīng)力最小值從第1 步到第2 步明顯增大，從第3 開挖步到第13 開挖步，其應(yīng)力值逐漸減小。在整個(gè)開挖過程中，第1 步的管片最小襯砌應(yīng)力最小，約為61.248 kPa;第2 步的管片最小襯砌應(yīng)力最大，約為78.498 kPa。由圖20 可知，隨著開挖的進(jìn)行，管片襯砌應(yīng)力最大值從第1 開挖步到第5 開挖步明顯增大，從第6 開挖步到第9 開挖步，其應(yīng)力值略有減小，從第10 開挖步到第13開挖步又略有增大。在整個(gè)開挖過程中，第1 步的管片最大襯砌應(yīng)力最小，約為670 kPa;第5 步的管片最大襯砌應(yīng)力最大，約為1 200 kPa。

5 結(jié)論

1)開挖過程中，地層位移的隆起值先增大，當(dāng)增大到5.8 mm 時(shí)趨于穩(wěn)定。地層位移沉降和隆起的最大值分別出現(xiàn)在隧道的拱頂和仰拱處。

2)開挖過程中，表層位移沉降值在開挖前幾步逐步增大并趨于穩(wěn)定，到最后一步時(shí)表層位移沉降值又有大幅度的增大;而地表沉降的隆起值一直處于增長(zhǎng)的趨勢(shì)，呈半拋物線狀。地表沉降的最大值出現(xiàn)在模型的邊界開挖面上。

3)隨著開挖的進(jìn)行，管片襯砌應(yīng)力的最小值先增大后減小，數(shù)值波動(dòng)范圍不大;而管片襯砌應(yīng)力最大值則先顯著增大后趨于穩(wěn)定，且出現(xiàn)在管片的中間兩側(cè)。

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