某隧道二維數(shù)值模擬優(yōu)選施工方法及支護(hù)參數(shù)探析

張競(jìng)予，王暉

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

某隧道二維數(shù)值模擬優(yōu)選施工方法及支護(hù)參數(shù)探析

張競(jìng)予，王暉

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

文章依據(jù)某隧道設(shè)計(jì)與施工方法，應(yīng)用有限元軟件（ANSYS）對(duì)其采用CD開(kāi)挖工法和三臺(tái)階七步開(kāi)挖工法的施工過(guò)程進(jìn)行二維有限元數(shù)值模擬，對(duì)比分析了不同開(kāi)挖方法下的圍巖位移場(chǎng)及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)等主要結(jié)果，獲取各工法施工過(guò)程中黃土圍巖與支護(hù)體系的力學(xué)性狀，并進(jìn)行論述。

CD工法；三臺(tái)階七步工法；數(shù)值模擬

1 概述

有限元法的基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元，并在每一個(gè)單元中設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，將連續(xù)體看作是只在節(jié)點(diǎn)處相連接的一組單元的集合體；同時(shí)選定場(chǎng)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，并在每一個(gè)單元中假設(shè)一近似插值函數(shù)以表示單元場(chǎng)中場(chǎng)函數(shù)的分布規(guī)律；進(jìn)而利用力學(xué)中的某些變分原理去建立用以求解節(jié)點(diǎn)未知量的有限元方程，從而將一個(gè)連續(xù)域中的無(wú)限自由度問(wèn)題化為離散域中的自由度問(wèn)題。一經(jīng)求解就可以利用解得的節(jié)點(diǎn)值和設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以至整個(gè)集合體上的場(chǎng)函數(shù)。

2 工程概況

本隧道為上、下行六車(chē)道隧道，自西向東長(zhǎng)約3.0km，隧道寬度為14.0m。地形主要為溝谷和高階地，部分地段為泥石流、滑坡易發(fā)區(qū)；埋深較大，地面標(biāo)高約為1600m，洞身主要通過(guò)所通過(guò)地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要是素填土、黃土狀粉土、片麻巖及砂礫巖等。在施工勘察期間，未揭示到地下水，但根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，片麻巖中可能存在基巖裂隙水。

3 計(jì)算參數(shù)與模型建立

3.1 計(jì)算參數(shù)確定

本文依托《巖土工程勘察規(guī)范》及本隧道地質(zhì)勘察報(bào)告，采用四節(jié)點(diǎn)平面單元PLANE42模擬圍巖；BEAM3模擬噴射混凝土及鋼架單元；錨桿注漿加固圈采用等效原則模擬，即四節(jié)點(diǎn)平面單元PLANE42加以模擬；鋼筋網(wǎng)、小導(dǎo)管不予以考慮；二次襯砌作為安全儲(chǔ)備也不予以考慮。

計(jì)算參數(shù) 表1

實(shí)常數(shù) 表2

3.2 模型建立

本隧道主要考慮的施工方法為CD及三臺(tái)階七步開(kāi)挖工法，以下為兩種工法的有限元模型。

圖1 CD工法有限元模型

圖2 三臺(tái)階七步工法有限元模型

4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)ANSYS模擬計(jì)算范圍確定原則通常，在本次計(jì)算中，模擬開(kāi)挖隧道最大跨徑為16.00m，最大開(kāi)挖高度為10.70m，埋深僅為25m，小于1倍跨徑；模型解析區(qū)域：向下取接近3倍隧道高度范圍，即35m；左右取接近隧道4倍跨徑范圍，即64m；向上取直至地表范圍；在該范圍外的土體則認(rèn)為不受影響。本隧道觀測(cè)點(diǎn)主要為：拱頂、左右兩側(cè)拱腰及左右兩側(cè)最大跨處。

4.1 圍巖豎向最終沉降量分析

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

各關(guān)鍵部位豎向位移表（單位：mm） 表3

圖3 三臺(tái)階七步工法最終沉降

圖4 CD工法最終沉降

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

各關(guān)鍵部位軸力表（單位：kN） 表4

圖5 三臺(tái)階七步工法軸力云圖

圖6 CD工法軸力云圖

由以上圖、表分析得出：

①CD法拱腰最終沉降量為 60.44mm和60.24mm，三臺(tái)階七步開(kāi)挖法拱腰最終沉降量為118.97mm90.25mm；CD法最大跨最終沉降量為28.26mm和50.77mm，三臺(tái)階七步開(kāi)挖法最大跨最終沉降量為125.80mm和99.06mm。三臺(tái)階七步法的最終沉降量比CD法減少56.83%；從拱腰沉降值分析，CD法較三臺(tái)階七步法更加對(duì)稱(chēng)，數(shù)值大小更加接近，CD法拱腰處最終沉降量比三臺(tái)階七步法減少50.49%；從最大跨處沉降值分析，CD法最大跨處最終沉降量比三臺(tái)階七步法減少78.56%。因此，選用CD法施工更為合理。

②CD法施工引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力普遍高于三臺(tái)階七步法；CD法施工引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大軸力產(chǎn)生于左側(cè)最大跨處，為2749.3kN，是三臺(tái)階七步法的18倍之多，但仍屬于可控范圍之內(nèi)。

③從整體開(kāi)挖過(guò)程來(lái)看，CD法施工最終引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力較三臺(tái)階七步法更為對(duì)稱(chēng)，所以從內(nèi)力分布狀態(tài)而言，CD法優(yōu)于三臺(tái)階七步法。

④隧道支護(hù)參數(shù)為：噴射C25混凝土厚25cm；工20b鋼拱架間距50cm；徑向系統(tǒng)錨桿φ25螺紋鋼長(zhǎng)4.5m；4組8根下斜30°的φ42鎖腳錨管長(zhǎng)5m（1、2、3、4開(kāi)挖部腳部各一組鎖腳錨管）；φ8鋼筋網(wǎng)網(wǎng)孔間距20×20cm；縱向連接筋為φ22螺紋鋼筋，環(huán)向間距1.0m。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)本隧道不同施工方法數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

①兩種不同的施工方法，其圍巖沉降分布大致一樣，位移最大處均位于拱頂部分；其中三臺(tái)階七步法開(kāi)挖引起的洞身下沉量較CD法更大。

②隧道開(kāi)挖順序?qū)χёo(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布區(qū)域影響較大，三臺(tái)階七步工法主要集中在拱頂處，CD工法主要集中在邊墻處。

本文結(jié)合某隧道具體實(shí)際施工情況，對(duì)兩種施工方法有針對(duì)性的進(jìn)行分析、計(jì)算和研究，提出合理的施工方案，并且通過(guò)了實(shí)際工程的驗(yàn)證取得了良好的實(shí)踐應(yīng)用效果。

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U455.4

B

1007-7359（2016）06-0111-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.042

陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金項(xiàng)目《用二維數(shù)值模擬優(yōu)選隧道施工方法及支護(hù)參數(shù)的研究》（編號(hào)：2015-17）。

張競(jìng)予（1984-），女，山西運(yùn)城人，講師，研究方向：地下工程施工技術(shù)。