隧道管棚預(yù)支護開挖數(shù)值模擬分析

張小娜，王國立

（1.黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450006；2.建業(yè)住宅集團（中國）有限公司，河南 鄭州 450000）

隧道管棚預(yù)支護開挖數(shù)值模擬分析

張小娜1，王國立2

（1.黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450006；2.建業(yè)住宅集團（中國）有限公司，河南 鄭州 450000）

采用ANSYS有限元分析軟件對采用管棚預(yù)支護全斷面和臺階法兩類不同開挖法不同進尺開挖4種不同工況進行數(shù)值模擬分析，研究其位移和應(yīng)力情況，并進行經(jīng)驗總結(jié)，以便得到能直接應(yīng)用于供工程實踐應(yīng)用與理論參考的研究成果。

隧道；管棚預(yù)支護；全斷面法；臺階法；有限元分析；數(shù)值模擬分析

近年來隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，交通隧道的建設(shè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的勢頭，隧道在交通、水利、市政與礦山開采和國防工程等方面都得到了充分的應(yīng)用。為保證隧道施工安全順利地進行，在洞口軟弱破碎地層及城市淺埋暗挖段等復(fù)雜地質(zhì)條件下施工時往往需要進行預(yù)支護，而管棚預(yù)支護技術(shù)是其中使用最為廣泛的一類預(yù)支護技術(shù)。

1 管棚預(yù)預(yù)支護開挖作用機理

管棚超前支護采用超前支護的頂板，按照一定的間距在距巷道輪廓線一定距離的位置打設(shè)超前管棚孔，之后沿孔口送入無縫鋼管，從而有效地控制頂板下沉，通過提前對頂板進行支護，對圍巖爆破松動圈內(nèi)的軟弱破碎巖石形成超前臨時支護（圖1）。

全斷面開挖法是在整個隧道開挖斷面上采用一次鉆孔、一次爆破成型及一次初期支護到位的一次成型的隧道開挖方法。這種開挖法要求具有較高水平的開挖、除渣和相應(yīng)的支護能力示，如圖2所示。

臺階法是隧道及地下工程的施工方法之一。在穩(wěn)定性較差的巖層中施工時，將整個坑斷面分為幾層，由上向下分步進行開挖。上部臺階的掘進作業(yè)與下部臺階的除渣可同時平行進行，而使工效提高，如圖3所示。

本文以某高速公路隧道進口進行研究，對采用管棚支護全斷面及臺階法兩種開挖法不同開挖進尺4種工況采用ANSYS有限元軟件進行模擬，分析其位移和應(yīng)力情況。

圖1 管棚超前支護設(shè)計示意圖

圖2 全斷面開挖法示意圖

圖3 臺階開挖法示意圖

2 工程概況及模型建立

2.1 工程概況

某高速公路隧道，隧道圍巖級別為V類，隧道洞口段覆蓋層厚度10m，隧道斷面采用單心圓曲墻式，隧道半徑5.6m。隧道建筑限界凈高、凈寬分別為5m、10.5m。因該段總長度為24.6m，故采用長度為30m的超前管棚+注漿。

2.2 模型建立

為保證計算的準確性，依據(jù)本工程隧道進口開挖尺寸，建立能反映管棚實際工作狀況的模型，該模型為長方體，長寬高為95m×15m×61.6m。巖體采用非線性考慮，圍巖采用Drucker—Prage屈服準則，巖體和管棚加固區(qū)模擬時采用8節(jié)點6面體SOLID45，殼單元SHELL63被用來模擬鋼支撐噴混凝土支護區(qū)。模型整體網(wǎng)格剖分如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 管棚超前支護有限元網(wǎng)格剖分圖

圖5 管棚注漿加固區(qū)有限元網(wǎng)格剖分圖

圖6 管棚支護開挖完成后有限元網(wǎng)格剖分圖

2.3 計算參數(shù)選取及工況模擬

參照公路隧道設(shè)計規(guī)范，根據(jù)該處地質(zhì)資料，選用各材料參數(shù)性能見表1。邊界條件采用位移邊界條件，以X方向位移結(jié)果評價隧道側(cè)墻的穩(wěn)定性，以Y方向位移結(jié)果評價隧道開挖后拱頂?shù)姆€(wěn)定性和地表沉降。

表1 材料參數(shù)表

采用管棚預(yù)支護2種不同進尺4種工況進行模擬，具體工況如表2所示。

表2 有限元分析計算工況

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

在對管棚注漿支護效果數(shù)值模擬分析過程中，分別計算按全斷面、臺階法開挖進尺0.5m、1.0m，分別開挖1m、2m工況，分別計算出各種開挖方法引起的圍巖擾動后應(yīng)力場和位移場，然后對管棚注漿預(yù)支護所采用兩種開挖方法的結(jié)果進行對比分析。

3.1 數(shù)值模擬分析

3.1.1 采用管棚預(yù)支護全斷面開挖數(shù)值模擬

采用管棚支護全斷面法施工，開挖進尺為0.5m、1.0m開挖，計算結(jié)果如表3所示：X向與Y向最大位移均發(fā)生在按1m進尺開挖時，分別為拱腳處2.48mm和拱頂21mm，也說明拱頂穩(wěn)定性較差；圍巖整個區(qū)域基本受壓應(yīng)力，只在拱腳和底板存在局部拉應(yīng)力，且數(shù)值較小，且隨開挖和支護工程的進行，應(yīng)力數(shù)值不斷減小，說明圍巖逐漸趨于穩(wěn)定，但由于在拱腳和底板處產(chǎn)生應(yīng)力局部集中現(xiàn)象，應(yīng)在該兩部位加強支護。

表3 各工況有限元計算結(jié)果

3.1.2 采用管棚預(yù)支護臺階法開挖數(shù)值模擬

采用管棚支護臺階法施工，開挖進尺0.5m、1.0m開挖，計算結(jié)果如表4所示：按臺階法開挖比按全斷面法在Y向的位移小，這也從數(shù)值上說明采用管棚臺階開挖法能更有效的控制地表下沉；圍巖應(yīng)力變化規(guī)律對稱分布，且第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力均小于全斷面法開挖時所對應(yīng)應(yīng)力值，且同樣以壓應(yīng)力為主，符合管棚支護受力特征。

表4 各工況有限元計算結(jié)果

3.2 分析結(jié)果對比

通過分析比較，發(fā)現(xiàn)臺階法開挖所對應(yīng)的X、Y 方向的位移均比全斷面開挖法所對應(yīng)的位移量小，說明采用管棚預(yù)支護臺階法對管棚的擾動更小。

按全斷面法進行圍巖開挖應(yīng)力集中在拱腳，按臺階法開挖后應(yīng)力集中在上臺階拱腳處，數(shù)值小于全斷面開挖時，因此臺階法比全斷面法提高圍巖的穩(wěn)定性更好，但臺階法開挖需工序較多，作業(yè)時間較長，但從安全性來考慮，采用管棚臺階法更合理。

4 結(jié) 論

本文利用ANSYS計算機軟件對隧道進口采用管棚預(yù)支護全斷面法和臺階法兩種開挖方法進行數(shù)值模擬，主要結(jié)論如下。

1）依托隧道進口段為研究背景，采用計算機數(shù)值模擬軟件進行分析，使復(fù)雜的工程實際問題簡單化，更生動形象。

2）管棚注漿預(yù)支護技術(shù)能有效控制軟弱破碎圍巖或土體的地表下沉，并提高圍巖的整體穩(wěn)定性，尤其采用臺階法開挖更合理。

3）本文只比較了管棚注漿預(yù)支護全斷面與臺階法，需進行更多分析以選擇更合適的開挖支護法，從而促進交通事業(yè)蓬勃發(fā)展。

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（編輯 張海霞）

Numerical simulation analysis of excavation method for tunnel roof advance support

ZHANG Xiao-na, WANG Guo-li

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目(13A560730);黃河科技學(xué)院科研項目（KYZR201303）

U455.43

B

1001-1366(2015)01-0051-03

2014-10-11