基于ABAQUS對(duì)公路隧道的開挖模擬研究

鐘 奎

(宜春市公路事業(yè)發(fā)展中心樟樹分中心 宜春市 331200)

0 引言

隧道工程施工時(shí)，由于外力的作用對(duì)土層產(chǎn)生擾動(dòng)，使原始初始應(yīng)力被破壞，導(dǎo)致土體位移，產(chǎn)生地表沉降。關(guān)于隧道開挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力變化及地表沉降，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，其中邱浩浩[1]對(duì)采用盾構(gòu)施工開挖隧道所引起的地表沉陷進(jìn)行研究，提出關(guān)于盾構(gòu)施工導(dǎo)致的地表沉降估算方法；姚勇等[2]利用有限元軟件ANSYS，建立了二維地下隧道施工模型，對(duì)隧道施工過(guò)程中隔墻的受力情況以及變化與圍巖級(jí)別之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行模擬；姜忻良等[3]根據(jù)實(shí)際工程案例利用ABAQUS有限元軟件，建立地鐵隧道模擬，并對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，將模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到數(shù)值模擬的結(jié)果具有可靠性；周智[4]、吳天軍[5]利用FLAC3D有限元軟件對(duì)雙排平行隧道施工對(duì)隧道周圍既有建筑影響進(jìn)行研究。

在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步探究公路隧道在開挖過(guò)程中隧道拱頂變化及地表的沉降變化規(guī)律，借助ABAQUS有限元軟件對(duì)實(shí)際的公路隧道開挖過(guò)程進(jìn)行模擬。

1 工程概況

本工程為一條高速公路隧道，道路路面按一級(jí)高速公路進(jìn)行設(shè)計(jì)，隧道的全長(zhǎng)為1720km，隧道的起始里程樁號(hào)為K0+195，設(shè)計(jì)的底板高程為99.15m，終樁號(hào)為K0+375，設(shè)計(jì)的底板高程為103.57m，隧道的最大埋深為17m，內(nèi)輪廓的凈空寬度為11m，高度為7.2m，中隔墻的寬度為2m。本隧道所處的地形、地貌屬于侵蝕剝蝕丘陵地貌，場(chǎng)地微地形以兩脊及洼地為主，隧道所處的地層包括雜填土、泥質(zhì)粉質(zhì)砂巖層及風(fēng)化巖石層。場(chǎng)內(nèi)的水文地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單，雜填土層屬于透水層，不含水，泥質(zhì)粉質(zhì)砂巖層及風(fēng)化巖石層屬于相對(duì)隔水層，基巖內(nèi)部含有裂隙水，水量小。

2 有限元分析

2.1 有限元模型建立

考慮到隧道直徑三倍的范圍內(nèi)是隧道開挖的影響范圍，因此在本次的模型中，左線隧道中取地層厚度高為36m，右線隧道最低為30m，隧道開挖斷面以下的土層厚度為20m，具體的模型見圖1所示；然后進(jìn)行材料屬性的定義，在本次的模型中所有的材料均采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型，再進(jìn)行部件的裝配、接觸設(shè)置、邊界條件設(shè)置及加載工況的設(shè)置等，待完成后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在ABAQUS中網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算至關(guān)重要，在本次的模型中對(duì)鋼拱架采用Beem梁?jiǎn)卧M(jìn)行劃分，其余的全部采用六面體單元進(jìn)行劃分，在本次模型中還建立了隧道的襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)，該襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)采用噴射混凝土而成，對(duì)噴射混凝土采用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)位于地表下方13m處，混凝土厚度為20mm，組合襯砌結(jié)構(gòu)的外徑為3m，內(nèi)徑為2.8m。

圖1 有限元模型圖

2.2 邊界條件及工況設(shè)置

在本次模型中近似將土體看成是半無(wú)限的狀態(tài)，所以在重力荷載的作用下只存在豎向位移，水平方向的位移為零，因此在模型中將X向及Z向的水平方向均設(shè)置固定約束，限制其水平向的位移，在模型的底部設(shè)置豎向及水平向的約束。對(duì)于工程的設(shè)置因本次研究主要是針對(duì)模擬過(guò)程中拱頂?shù)某两导暗乇沓两档龋虼朔謩e設(shè)置8個(gè)工況對(duì)隧道內(nèi)部的斷面1(樁號(hào)為K0+365)的拱頂沉降及地表的斷面(樁號(hào)K0+3600)的地表沉降進(jìn)行計(jì)算。具體的工況設(shè)置情況如表1、表2所示。

表1 斷面1工況設(shè)置表(斷面1位于掘進(jìn)深度約5m處)

表2 斷面2工況設(shè)置表(斷面1位于掘進(jìn)深度約10m處)

2.3 有限元模擬的流程

本次模擬的過(guò)程近似為實(shí)際工程施工的過(guò)程，但在模型中應(yīng)創(chuàng)建一個(gè)不存在位移的初始應(yīng)力場(chǎng)，然后再進(jìn)行隧道的挖掘模擬，該過(guò)程是利用模型單元中生與死的功能來(lái)進(jìn)行的，即在當(dāng)前單元進(jìn)行開挖時(shí)，該單元為生，待開挖過(guò)后，該單元為死，以此循環(huán)進(jìn)行，并且在開挖后對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，主要是利用模型中的溫度場(chǎng)變量法來(lái)實(shí)現(xiàn)噴射混凝土的模擬，即將原位土體的材料屬性轉(zhuǎn)變?yōu)榛炷恋牟牧蠈傩浴Ｔ陂_挖至斷面處時(shí)，開挖步設(shè)置得較小，以便分析計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2.4 模擬結(jié)構(gòu)分析

2.4.1斷面1的拱頂沉降結(jié)果分析

通過(guò)上述有限元模型進(jìn)行模擬，對(duì)模擬的應(yīng)力云圖進(jìn)行分析并提取數(shù)據(jù)，繪制斷面1的拱頂沉降曲線圖，具體的曲線如圖2所示。

圖2 斷面1的拱頂沉降曲線圖

從圖2中可以看出，隨著隧道開挖深度的不斷加大，該斷面的拱頂沉降逐漸增加，在掘進(jìn)深度前15m范圍內(nèi)增長(zhǎng)速度較快，說(shuō)明拱頂沉降在開始挖掘時(shí)沉降增大速度快，當(dāng)掘進(jìn)深度超過(guò)15m后，斷面距離挖掘的掌子面較遠(yuǎn)后，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，使得沉降趨于穩(wěn)定。

2.4.2斷面2的地表沉降結(jié)果分析

通過(guò)上述有限元模型進(jìn)行模擬，對(duì)模擬的應(yīng)力云圖進(jìn)行分析并提取數(shù)據(jù)，繪制斷面2的地表沉降曲線圖，具體的曲線如圖3所示。

圖3 斷面2的拱頂沉降曲線圖

從圖3中可以看出，在各個(gè)工況下，隧道的地表沉降趨勢(shì)大致相似，均表現(xiàn)為在中心處的沉降較大，兩端的沉降較??；并隨隧道開挖深度的不斷加大，該斷面的地表沉降逐漸增加，當(dāng)開挖至工況8時(shí)，隧道中心線處的沉降值達(dá)到最大約為2.45mm；對(duì)比同一水平距離的沉降可以發(fā)現(xiàn)，隨著開挖深度的加大，斷面同一位置處的沉降量不斷增大，并最終趨于收斂。

3 結(jié)論

探究了公路隧道在開挖過(guò)程中隧道拱頂沉降變化及地表的沉降變化規(guī)律，研究結(jié)果表明：在拱頂下沉的分析中，隨著開挖深度的不斷增大，表明拱頂?shù)南鲁林饾u增大并且拱頂下沉速度最快的時(shí)候是在隧道開挖施工擾動(dòng)時(shí)，隨著開挖掌子面的距離加大，加上襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，拱頂下沉基本維持不變；在地表沉降分析中，在橫向同一剖面上的不同位置可以得到地表沉降呈現(xiàn)出正態(tài)分布的趨勢(shì)；縱向?qū)Ρ入S著開挖深度的不斷加大，該斷面的地表沉降逐漸增加。