基于數(shù)值模擬對(duì)隧道施工過(guò)程的研究

袁海梁，鄭超杰

(1.中國(guó)化學(xué)工程重型機(jī)械化有限公司，北京 大興 102600；2.江西交苑工程檢測(cè)有限公司，江西 南昌 330013)

0 引 言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促進(jìn)了各個(gè)行業(yè)的進(jìn)步，新技術(shù)新科技不斷被研發(fā)及推廣。其中，隧道工程及地下工程發(fā)展最為突出，但由于我國(guó)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜[1]，人們對(duì)隧道及地下工程的建設(shè)施工安全及風(fēng)險(xiǎn)的管理越來(lái)越重視，諸多學(xué)者紛紛開(kāi)始對(duì)隧道及地下工程的施工方法進(jìn)行研究。其中，L.V.Rabcewicz[2]等人基于長(zhǎng)期的工程實(shí)踐提出了新奧法施工方案。德國(guó)學(xué)者1981年在德國(guó)慕尼黑地鐵的施工中采用了CD法進(jìn)行隧道施工，這是該技術(shù)的首次應(yīng)用。奚正兵[3]等人通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)隧道開(kāi)挖的過(guò)程進(jìn)行模擬，結(jié)果表明在相同條件下采用不同的開(kāi)挖方法，地表變形、塑性區(qū)分布、地層分層沉降的規(guī)律將會(huì)因施工方法的不同而不同，最后通過(guò)模擬結(jié)果提出具體的施工技術(shù)方案。胡群芳[4]等人對(duì)大量不同地質(zhì)條件進(jìn)行分析研究，最后提出隨機(jī)分布概率理論，并將該理論應(yīng)用到隧道的風(fēng)險(xiǎn)管理中，計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率。

1 隧道工程施工的力學(xué)原理及施工方法

1.1 圍巖的初始應(yīng)力計(jì)算

圍巖的初始應(yīng)力是指隧道在未開(kāi)挖時(shí)，巖體的初始靜應(yīng)力，此時(shí)的靜應(yīng)力主要與巖土的物理性質(zhì)、構(gòu)造、重力、環(huán)境溫度及地形有關(guān)，此外還與人類活動(dòng)、地殼運(yùn)動(dòng)因素有關(guān)。關(guān)于初始應(yīng)力的如下列計(jì)算公式所示

σ=σy+σt

(1)

式中：σy為自重的應(yīng)力分量,kPa；σt為地質(zhì)構(gòu)造的應(yīng)力分量,kPa。

由于目前對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的應(yīng)力分量的計(jì)算較困難，對(duì)此需對(duì)巖體進(jìn)行假定，即假定巖體為半無(wú)限體，只考慮重力應(yīng)力。上式可以變換為式(2)。

假設(shè)取巖體H深度的某單元體

(2)

式中：σz，σy，σz分別為單元體在x，y，z三個(gè)方向的應(yīng)力,kPa；γ為巖體容重,kN/m3；H為距離地表的深度,m；λ為測(cè)壓的系數(shù)。

1.2 圍巖開(kāi)挖后的應(yīng)力計(jì)算

因?yàn)樗淼赖拈_(kāi)挖，導(dǎo)致初始的圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，為達(dá)到新的平衡狀態(tài)，圍巖將發(fā)生變形及位移，稱這個(gè)變化的過(guò)程為應(yīng)力重分布[5]。

圖1 開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力計(jì)算的示意圖

公式如下所示

(3)

結(jié)合彈性力學(xué)理論，當(dāng)不考慮圍巖的初始應(yīng)力產(chǎn)生的位移時(shí)，對(duì)軸對(duì)稱的圍巖位移可以用下式計(jì)算。

(4)

式中：P為垂直應(yīng)力,kPa;u為水平位移,m;v為豎向位移,m;r為隧道半徑,m;G表示自重,kN。

1.3 隧道施工方法介紹

隧道開(kāi)挖的施工方法分類及特點(diǎn)具體如表1及表2所示。

表1 隧道施工方法分類及特點(diǎn)

表2 隧道施工方法分類及特點(diǎn)

2 不同施工方法的數(shù)值模擬

2.1 仿真模擬的建立

本文中采用FLAC3D有限元軟件來(lái)進(jìn)行對(duì)隧道開(kāi)挖采用不同的施工方法進(jìn)行模擬。本模型中的本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型，初期支護(hù)采用shell單元，二次襯砌采用zone單元，均按各向彈性模型來(lái)進(jìn)行分析，錨桿采用Cable單元，二次襯砌采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。模型中的具體參數(shù)如表3所示。

表3 模型參數(shù)設(shè)置表

本次模型中隧道頂距離地表的距離為20 m，隧道模型的大小為110 m×60 m×3 m，底部施加豎直方向的約束，左右兩邊施加水平約束，頂面為自由面，對(duì)全斷面法及臺(tái)階法的施工方法進(jìn)行模擬。

2.2 全斷面法模擬結(jié)果分析

對(duì)全斷面法的模型步驟為三步，第一進(jìn)行巖體內(nèi)部開(kāi)挖計(jì)算，第二進(jìn)行初期支護(hù)技術(shù)，第三進(jìn)行二次襯砌施工技術(shù)。對(duì)全斷面法的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 全斷面法位移曲線圖

從圖2可知，采用全斷面開(kāi)挖隧道的方法將會(huì)使隧道的豎向位移呈現(xiàn)左右兩邊對(duì)稱分布，而水平的位移值則剛好相反，拱頂處的豎向下沉值約8.2 mm，并且沉降值從拱頂向兩端減小，而拱底的豎向起拱值約3.8 mm，起拱值由拱底向兩端較小，水平位移則相反，在拱底和拱頂處的水平位移約0，然后向兩側(cè)增大，最大水平值約4.0 mm，這主要是由于頂部的圍巖擠壓隧道頂部，使其下沉，然后隧道頂部向兩側(cè)傳遞荷載，使隧道兩側(cè)產(chǎn)生水平方向的位移，而底部則在兩端的擠壓及下部的擠壓下向上隆起。

2.3 臺(tái)階法模擬結(jié)果分析

臺(tái)階法開(kāi)挖隧道是目前隧道工程中常用的方法，臺(tái)階法的模擬步驟分五步。第一步進(jìn)行第一個(gè)段面的開(kāi)挖計(jì)算，第二步進(jìn)行上部初級(jí)支護(hù)計(jì)算，第三步進(jìn)行第二個(gè)斷面開(kāi)挖計(jì)算，第四步進(jìn)行下部初級(jí)支護(hù)計(jì)算，第五步進(jìn)行襯砌施工的計(jì)算，對(duì)臺(tái)階法的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 臺(tái)階法位移曲線圖

從圖3中可以看出，采用臺(tái)階法開(kāi)挖隧道的方法將會(huì)使隧道的豎向位移呈現(xiàn)左右兩邊對(duì)稱分布，而水平的位移值則剛好相反，拱頂處的豎向下沉值約7.5 mm，并且沉降值從拱頂向兩端減小，而拱底的豎向起拱值約2.8 mm，起拱值由拱底向兩端較小，水平位移則相反，在拱底和拱頂處的水平位移約0，然后向兩側(cè)增大，最大水平值約3.8 mm，這主要是由于當(dāng)上臺(tái)階開(kāi)挖后隧道圍巖出現(xiàn)較大的斷面，巖土受到擾動(dòng)，導(dǎo)致上部圍巖失去支撐發(fā)生大量的沉降，而拱底由于還未進(jìn)行開(kāi)挖，所以產(chǎn)生隆起，當(dāng)初期的支護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)，洞口形成封閉形態(tài)，巖土的應(yīng)力得到重新分布，而上部的圍巖進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，當(dāng)下臺(tái)階進(jìn)行開(kāi)挖后，對(duì)隧道的影響較小。因此對(duì)于采用臺(tái)階法施工的隧道工程，應(yīng)針對(duì)上臺(tái)階的開(kāi)挖進(jìn)行加強(qiáng)控制，以保證圍巖的變形得到控制。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了隧道工程的施工力學(xué)原理及施工方法，并通過(guò)FLAC3D有限元軟件對(duì)采用不同施工方法抗隧道工程的施工安全進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明，隧道在開(kāi)挖的過(guò)程中拱底和拱頂?shù)呢Q向位移最大，而在拱腳處的水平位移最大，因此在開(kāi)挖隧道時(shí)應(yīng)對(duì)拱頂及拱底進(jìn)行加強(qiáng)控制。同時(shí)從全斷面與臺(tái)階法的施工方法來(lái)看，臺(tái)階法開(kāi)挖隧道對(duì)隧道圍巖的影響較小，因此在不影響工期的前提下，可以采用臺(tái)階法來(lái)施工。