軟弱圍巖隧道施工數(shù)值模擬分析

祝云華

(內(nèi)江師范學(xué)院 物理系，四川 內(nèi)江 641112)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，公路客貨運(yùn)輸量大幅度增長(zhǎng)，高速公路成為中國(guó)公路建設(shè)的主流。由于隧道工程具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。但是由于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件較為復(fù)雜，圍巖物理力學(xué)指標(biāo)、荷載和結(jié)構(gòu)抵抗能力等都不明確，給隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來一定的盲目性［1-2］。采用數(shù)值分析方法對(duì)長(zhǎng)大隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行理論分析，可以彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)的不足，驗(yàn)算設(shè)計(jì)可靠性，分析隧道圍巖的受力和變形特點(diǎn)，對(duì)工程施工有很好的指導(dǎo)作用。

目前公路隧道的施工主要采用新奧法，其根據(jù)隧道的圍巖性質(zhì)的不同，主要采用全斷面一次開挖法、臺(tái)階開挖法、分部開挖法等［3-6］，但目前施工中其應(yīng)力和應(yīng)變均是在開挖完成后再進(jìn)行測(cè)量的，主要的原因是無法在隧道開挖之前進(jìn)行相應(yīng)元器件的施工，導(dǎo)致隧道在施工過程中經(jīng)常發(fā)生安全事故。因此為了對(duì)施工安全性進(jìn)行指導(dǎo)，本文對(duì)施工過程中隧道圍巖應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況進(jìn)行了探討，運(yùn)用數(shù)值方法中的有限元法對(duì)隧道進(jìn)行計(jì)算分析以及評(píng)價(jià)其圍巖穩(wěn)定性，為本工程及其他類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某隧道是國(guó)家重點(diǎn)高速公路杭州至蘭州線重慶巫山至奉節(jié)段的重要組成部分，隧道位于重慶市巫山縣楚陽(yáng)鄉(xiāng)滴水巖村至某鎮(zhèn)風(fēng)嶺村境內(nèi)，進(jìn)口位于楚陽(yáng)鄉(xiāng)滴水巖村范家河西岸山坡上，出口位于某鎮(zhèn)風(fēng)嶺村。隧道最大埋深約435 m，起訖樁號(hào)左線 ZK4+710—ZK9+292，長(zhǎng)4 582 m，右線 YK4+729—YK9+335，長(zhǎng)4 606 m。隧道位于中低山臺(tái)地及中低山深切谷地斜坡地貌區(qū)，隧道穿過中低山山脊下部，區(qū)內(nèi)最高高程1 082.0 m。

在工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征方面，隧道圍巖主要由巴東組(T2b)灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖及第四系殘坡積碎石土(Qel+dl)組成，裂隙發(fā)育，巖石較為破碎，地質(zhì)狀況較為復(fù)雜。圍巖級(jí)別為Ⅱ～Ⅴ級(jí)，穩(wěn)定性較差，在施工中有可能出現(xiàn)冒頂坍塌等問題;隧道水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，隧道洞室會(huì)有滲流現(xiàn)象產(chǎn)生，地下水對(duì)隧道有影響。

隧道為上下線分離的四車道高速公路隧道，建筑限界凈寬10.25 m，凈高5.00 m。隧道拱部采用單心半圓，側(cè)墻為大半徑圓弧的單曲墻式襯砌。根據(jù)隧道埋深及圍巖級(jí)別的不同，隧道共設(shè)計(jì)了9種復(fù)合襯砌形式，其中Ⅴ級(jí)圍巖的復(fù)合襯砌支護(hù)見圖1。

2 隧道計(jì)算模型和參數(shù)

2.1 隧道有限元計(jì)算模型

在本次模擬計(jì)算中，隧道的有限元計(jì)算采用隧道初期支護(hù)受力模式，模擬分析施工順序?qū)Τ跗诮Y(jié)構(gòu)的受力與變形的影響。

根據(jù)某隧道斷面尺寸，采用大型通用有限元計(jì)算軟件ANSYS對(duì)某隧道S5b復(fù)合襯砌類型的ZK4+920斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，建立有限元分析模型。隧道最大開挖寬度12.62 m，最大開挖高度7.88 m。模型左、右邊界計(jì)算范圍取45.00 m，上部邊界計(jì)算范圍取至地表(隧道埋深420 m)，下部邊界計(jì)算范圍取50 m。計(jì)算模型的左右邊界分別受到X軸方向的位移約束，模型的地層下部邊界受到Y(jié)軸方向的位移約束，計(jì)算模型如圖2所示。

圖1 隧道Ⅴ級(jí)圍巖襯砌設(shè)計(jì)(單位:cm)

圖2 計(jì)算模型

2.2 有限元選用的計(jì)算參數(shù)

根據(jù)隧道圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，在本次計(jì)算當(dāng)中，采用了彈塑性的非線性有限元法。在有限元計(jì)算中，圍巖材料的本構(gòu)模式采用Drucker-Prager模型，以計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)與地層在開挖過程中發(fā)生的非線性變形特性。利用對(duì)有限元計(jì)算單元進(jìn)行激活與失效的處理功能來模擬隧道施工的分步開挖過程。

根據(jù)等效原則來模擬鋼拱架，即將鋼拱架的彈性模量折算給圍巖加固區(qū)，折算后的彈性模量可按式(1)給出。計(jì)算中各材料單元的力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

式中，E為折算后混凝土彈性模量(MPa);E0為原混凝土彈性模量(MPa);Sg為鋼拱架截面積(m2);Eg為鋼材彈性模量(MPa);Sc為混凝土截面積(m2)。

表1 單元力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 模擬計(jì)算工況

隧道ZK4+920斷面數(shù)值模擬過程中采用上、下臺(tái)階法開挖，臺(tái)階長(zhǎng)度為4 m，開挖循環(huán)進(jìn)尺為2 m，隧道開挖與支護(hù)方式見圖3。施工工序如下:上臺(tái)階開挖，上臺(tái)階拱墻先施作系統(tǒng)錨桿，長(zhǎng)度4 m，間距1.0 m×1.0 m，梅花形布置，再施作C20噴混凝土22 cm;下臺(tái)階開挖，下臺(tái)階邊墻施作系統(tǒng)錨桿，長(zhǎng)度4 m，間距1.0 m×1.0 m，梅花形布置，再施作C25噴混凝土25 cm;最后施作C25鋼筋混凝土45 cm。

在模擬隧道臺(tái)階法開挖過程中，本文研究的重點(diǎn)是隧道周邊各關(guān)鍵點(diǎn)的施工力學(xué)效應(yīng)，定義隧道周邊3個(gè)特征關(guān)鍵點(diǎn)(與監(jiān)控量測(cè)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置一致)，如圖4所示，分別表示為1、2、3點(diǎn)。在計(jì)算結(jié)果中，分別提取這3個(gè)特征關(guān)鍵點(diǎn)在各個(gè)施工階段的位移值。

圖3 斷面開挖方式

圖4 隧道周邊特征關(guān)鍵點(diǎn)位置

3.2 模擬計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行求解計(jì)算，得到混凝土襯砌初期支護(hù)后圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及支護(hù)軸力情況。圖5～圖10列出了隧道采用上下臺(tái)階法開挖時(shí)的應(yīng)力位移等值云圖。

圖5 上臺(tái)階應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖6 上臺(tái)階位移云圖(單位:m)

從圖5～圖10中可以看出，上臺(tái)階開挖完成后，在開挖面底部出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，最大水平拉應(yīng)力達(dá)0.812 MPa，最大豎向拉應(yīng)力達(dá)3.154 MPa，這是由于去除了該處圍巖的附加應(yīng)力和自重應(yīng)力而受彎產(chǎn)生的;在開挖面的拱腳出現(xiàn)了最大剪應(yīng)力，最大剪應(yīng)力為5.022 MPa;上臺(tái)階開挖對(duì)豎向應(yīng)力場(chǎng)造成較大的影響，對(duì)開挖面以下2倍開挖面高度范圍內(nèi)的圍巖均有不同程度影響，開挖面附近的影響程度最大。初期支護(hù)的拱腰處所受的彎矩和軸力最大，最大彎矩值為155.496 kN·m，最大軸力為 2.092×104kN。

圖7 上臺(tái)階噴層軸力云圖(單位:N)

圖9 下臺(tái)階位移云圖(單位:m)

圖10 下臺(tái)階軸力云圖(單位:N)

下臺(tái)階開挖后，圍巖所受的最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳處，剪應(yīng)力最大值為19.76 MPa;最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳處，最大值為44.50 MPa;在初期支護(hù)拱腳上方1.5 m左右彎矩值最大，最大值為103.107 kN·m，在起拱線上方1.5 m左右噴層軸力最大，最大值為2.42×104kN。

從圖5、圖6可以看出，上臺(tái)階開挖后最大水平方向位移發(fā)生在開挖面拱腳下面約2.8 m處，拱腳處的水平位移指向洞內(nèi);豎直方向的位移最大值在拱頂處，方向指向洞內(nèi)。從圖8和圖9可知，下臺(tái)階開挖完成以后，最大水平位移位于拱腰處，而拱頂和拱肩均有較大的豎直方向位移。

為了便于對(duì)開挖后圍巖的位移進(jìn)行分析，表2列出了特征關(guān)鍵點(diǎn)在臺(tái)階法開挖各個(gè)階段的位移值。圖11給出了上下臺(tái)階法開挖情況拱下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨進(jìn)尺圍巖變形的數(shù)據(jù)。

表2 臺(tái)階法關(guān)鍵點(diǎn)位移值

圖11 拱頂位移隨圍巖進(jìn)尺關(guān)系曲線

從圖11及表2中可以看出，隧道上臺(tái)階開挖后，關(guān)鍵點(diǎn)1拱頂處位置變形明顯大于下臺(tái)階開挖階段，點(diǎn)2位置處無論是上臺(tái)階還是下臺(tái)階，兩者變形均相近，而對(duì)于點(diǎn)3，由于仰拱開挖，此時(shí)仰拱處位移，下臺(tái)階遠(yuǎn)大于上臺(tái)階。下臺(tái)階開挖后，由于初期支護(hù)的施加，圍巖的拱頂變形位移減少了7.8%，周邊變形減少了11.7%，說明在軟弱圍巖中，采取上下臺(tái)階法開挖，支護(hù)應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)，使得圍巖的變形得到有效的控制，保證施工安全。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

圖12所示為ZK4+920斷面右洞開挖后使用有限元軟件計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的對(duì)比，從圖中可以看到，無論在變化規(guī)律上還是最大值上，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)控量測(cè)位移值都可以很好地吻合，說明數(shù)值模擬所采用的模型和參數(shù)是合理的，在一定程度上有現(xiàn)實(shí)意義，可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。本次研究的結(jié)果可以在地質(zhì)條件相類似的工程中進(jìn)行推廣，預(yù)期可以得到較好的效果。

圖12 計(jì)算結(jié)果與量測(cè)對(duì)比

4 結(jié)論

1)從應(yīng)力和應(yīng)變及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果來看，對(duì)軟弱圍巖采用上下臺(tái)階開挖是一種較好的施工方式，可以更好地控制圍巖的變形;

2)鑒于我國(guó)目前的實(shí)際情況:施工條件有限，且施工環(huán)境較差，大型機(jī)械不便運(yùn)輸，在軟弱圍巖中采用上下臺(tái)階的開挖方式較為適合，可以在工程實(shí)踐中采用;

3)由于實(shí)際工程中地質(zhì)條件的復(fù)雜性，模擬單元的力學(xué)參數(shù)的取值與實(shí)際的不完全吻合，使得量測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果有出入，這就進(jìn)一步體現(xiàn)了巖土工程問題的不確定性，解決這一問題，就得采用半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，靈活地進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。

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