禮讓隧道硬石膏段開挖全過程模擬＊

吳建勛，任 松，陳 釩，蒲文明，歐陽汛

（1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；3.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048）

1 概述

在隧道工程中，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)存在著復(fù)雜的耦合作用，在隧道全壽命周期內(nèi)，圍巖—支護(hù)的變形和受力狀態(tài)隨時(shí)間不斷變化，即具有時(shí)變性。硬石膏巖作為典型的吸水膨脹性圍巖，其膨脹機(jī)理復(fù)雜，膨脹持續(xù)時(shí)間長[1]。當(dāng)隧道穿越硬石膏巖層時(shí)，圍巖的長期膨脹使得圍巖—支護(hù)的時(shí)變性更加明顯。因此，本文針對禮讓隧道硬石膏圍巖段，基于ANSYS有限元軟件，采用隧道開挖全過程模擬方法[2]模擬隧道開挖和支護(hù)過程中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、受力情況，以期為隧道的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

2 模型建立

根據(jù)禮讓隧道地勘資料和設(shè)計(jì)圖建立二維平面雙隧道模型，模型如圖1所示。巖層自上而下為灰?guī)r（A1）—硬石膏巖（A3、A4）—灰?guī)r（A2），其中，A1和A2灰?guī)r為硬巖，無膨脹作用；A3距隧道比較遠(yuǎn)，不考慮膨脹性，A4考慮膨脹性。圍巖采用plane42單元模擬，力學(xué)參數(shù)如表1所示；采用link1單元模擬錨桿，beam3單元模擬初砌，錨桿和初襯力學(xué)參數(shù)如表2所示。

隧道開挖全過程模擬方法視圍巖體為一種時(shí)間相關(guān)的結(jié)構(gòu)體，借助ANSYS中的蠕變方程模擬不同施工階段下的圍巖動(dòng)態(tài)變化。本文借助蠕變11號方程模擬硬石膏圍巖段，通過試驗(yàn)獲得的方程參數(shù)如表3和表4所示。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)材料參數(shù)

表3 不考慮膨脹作用（A3巖層）

表4 考慮膨脹作用（A4巖層）

3 模擬結(jié)果和分析

根據(jù)禮讓隧道施工組織情況，模擬開挖支護(hù)全過程。其中，隧道開挖到初期支護(hù)完成所需時(shí)間為6 h，初期支護(hù)持續(xù)20 d。開挖6 h無支護(hù)狀態(tài)的結(jié)果如圖2所示，初襯完成后20 d的結(jié)果如圖3所示。

與傳統(tǒng)的模擬方法相比，采用隧道開挖全過程模擬方法可得開挖至初襯施作前的位移和應(yīng)力狀態(tài)，如圖2（a）所示。圖中變形最大處在隧道拱頂，下沉量9.49 mm。

初期支護(hù)完成后，錨桿和混凝土對圍巖變形具有減緩的作用，而硬石膏的膨脹性具有增大圍巖變形的作用。采用隧道開挖全過程模擬方法，可以模擬上述2種作用下圍巖的時(shí)變效果。圖3（a）給出了初期支護(hù)后第20 d的圍巖合位移云圖，最大變形仍然發(fā)生在拱頂，為13.19 mm。分析每一子的位移圖，得到圖4所示的隧道沉降和收斂隨時(shí)間變化圖。

圖2 開挖6 h無支護(hù)狀態(tài)的結(jié)果

圖3 初襯完成后20 d的結(jié)果

圖4 隧洞變形圖

圖2（b）和圖3（b）分別為開挖后無支護(hù)和開挖后20 d的圍巖等效應(yīng)力圖。由圖可知，最大等效應(yīng)力在邊墻附近，拱頂和拱底應(yīng)力比較小。圖5給出了最大等效應(yīng)力和最大壓應(yīng)力隨時(shí)間變化圖。20 d后的圍巖最大等效應(yīng)力為5.34 Mpa，比開挖瞬間的5.76 MPa減小了7%.支護(hù)前，隧道周邊圍巖最大壓應(yīng)力為7.17 Mpa，發(fā)生在邊墻。支護(hù)20 d后，圍巖壓應(yīng)力降至6.83 Mpa，降低了4.7%.

圖5 應(yīng)力隨時(shí)間變化圖

隧道圍巖錨桿受拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力隨時(shí)間的變化如圖6所示，最大拉應(yīng)力發(fā)生在拱腳部位。隨著時(shí)間的增加，拉應(yīng)力逐漸增大，但未達(dá)到錨桿抗拉強(qiáng)度。

圖6 錨桿拉應(yīng)力隨時(shí)間變化圖

4 結(jié)論

本文以禮讓隧道為工程背景，基于連續(xù)介質(zhì)模型，采用隧道開挖全過程模擬方法對硬石膏段施工期圍巖變形和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了模擬，得出以下結(jié)論：①基于連續(xù)介質(zhì)模型，借助蠕變11號方程，可以模擬硬石膏段圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、受力演化情況；②禮讓隧道硬石膏段沉降和收斂隨時(shí)間的推移逐漸增大，20 d最大下沉量為13.19 mm，最大收斂為7.95 mm。

［1］蒲文明，陳釩，任松，等.膨脹巖研究現(xiàn)狀及其隧道施工技術(shù)綜述［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2016（S1）：232-239.

［2］任松，姜德義，吳建勛，等.一種隧道開挖全過程模擬方法：中國，CN105069269A［P］.2015-11-18.