施工順序對隧道圍巖穩定性的影響分析

鄭應亨，任 宏

（1.重慶大學 建筑管理與房地產學院，重慶400030；2.重慶市巴南區建設委員會，重慶400055）

隨著社會經濟的發展，土地資源越來越有限，特別是在城市，真所謂寸土寸金。為了集約用地，城市不斷向地下空間發展，隧道工程已成為建設領域的重要組成部分。分析地面工程與隧道工程的施工順序對巖石的影響，從而采取相應措施，確保整個項目的安全具有重要的現實意義。

1 隧道工程ANSYS模擬基本原則

1）材料模型：巖石材料屬于顆粒狀材料，其受壓強度遠大于受拉屈服強度，且材料受剪時，顆粒會膨脹，這類材料一般采用D－P屈服準則。在巖石、土壤的有限元分析中，采用該準則可以得到較滿意結果[1]。

2）初始地應力模擬：初始地應力對隧道施工的影響是顯著的，ANSYS中可以有2種方法模擬初始地應力：a.讀取初始地應力文件；b.忽略構造應力，只考慮自重。該方法簡單，但分析后續施工時，需將得到的位移結果扣除自重應力產生的初始位移影響。本論文采用后者。

3）開挖及連續施工的模擬：在ANSYS中可以用“單元生死”來模擬隧道的開挖。即將其“殺死”。單元生死，并不是真的將單元從模型中刪除，而是將其剛度乘以一個很小的因子ESTIF，死單元的單元荷載將為零，從而不對荷載向量生效[2]。利用ANSYS中的荷載步功能可以實現不同工況間連續施工計算，從而模擬隧道的連續施工。

4）ANSYS模擬隧道施工步驟如下：建立模型—施加載荷，初始地應力模擬—開挖隧道，用殺死單元來模擬—施加不同工況荷載，求解—后處理，計算結果分析。

本論文將分析2種不同施工順序對地下洞室圍巖穩定性的影響：

1）考慮先開挖地下隧道，后修建地面建筑，分析全過程中隧道洞頂的沉降位移、洞室圍巖的變形、塑性區、拉壓破壞區等。

2）考慮地面建筑完成，后開挖地下隧道，分析地下隧道的受力、變形、破壞區以塑性區。

2 先開挖地下隧道，后修建地面建筑

分析步驟：初始地應力場模擬—開挖隧道模擬—修建一層建筑物—修建十五層建筑物—修建三十層建筑物（結束）

2.1 初始應力場模擬

圍巖計算邊界一般取洞跨的3～5倍，水平向取70m，豎向取75m。圍巖采用PLANE42單元，并設定為平面應變模型，如圖1、2所示。

從圖2中可以清楚地看到這種模擬初始地應力的方法的不足：巖體在自重作用下產生了初始位移，在后續施工分析時，應注意剔除初始位移的影響。初始沉降最大為，模型底部最大壓應力1.81MPa，上部最小壓應力21.78kPa。豎向位移和應力分布均為水平。

圖1 重力作用下y方向應力云圖

圖2 重力作用下y方向位移云圖

2.2 隧道開挖模擬

隧道開挖模擬如圖3－6所示。

巖體開挖使斷面邊界裸露，邊界點應力釋放，從而引起圍巖應力場和位移場的重分布。可以通過J.M.Dancan提出的“反轉應力釋放法”實現這一效果，將原來作用在開挖邊界上的初始地應力反向施加到開挖邊界上，正是這一“等效釋放荷載”造成開挖引起的巖體應力和位移變化[3－5]。

圖3 斷面開挖后施加了節點力的有限元模型

圖4 開挖后y方向應力云圖

從圖4中可以看出，洞室開挖后，應力不再水平均勻分布，在洞頂和底板處出現拉應力，其中底板處拉應力最大為701.79kPa。洞室側壁受壓，最大壓應力出現在邊墻腳部和拱腳處，約為2.38MPa。從圖5可以看出，豎向位移也不再水平均勻分布，在拱頂出現最大豎向位移。

圖5 開挖后y方向位移云圖

圖6 開挖后等效應力云圖

2.3 修建1層地面建筑后

修建1層建筑后的變化如圖7－10所示。

修建1層建筑后，拱腳和邊墻腳部的壓應力增大，隨之洞頂豎向位移也繼續增大。

圖7 施加1層建筑荷載后的有限元模型

圖8 施加1層建筑荷載后的y方向應力云圖

圖9 施加1層建筑荷載后的y方向位移云圖

圖10 施加1層建筑荷載后的等效應力云圖

2.4 修建15層地面建筑后

修建15層地面建筑后的變化的情況如圖11－13所示。

圖11 施加15層建筑荷載后y方向應力云圖

圖12 施加15層建筑荷載后y方向位移云圖

圖13 施加15層建筑荷載后的等效應力云圖

2.5 修建30層地面建筑后

地面修建30層建筑物后的變化情況如圖14－16所示。

圖14 施加30層建筑荷載后的y方向應力云圖

圖15 施加30層建筑荷載后y方向位移云圖

圖16 施加30層建筑荷載后等效應力云圖

2.6 結果分析

從以上各圖分析可以得知，在豎向荷載作用下：

1）圍巖有向洞室內部移動的趨勢。其中隧道洞頂受拉，產生豎向位移最大。

2）最大拉應力發生在底板中間部位。拱腳和邊墻腳部受壓。

3）在拱腳和邊墻腳處存在拉力。其中最大值首先出現在兩邊墻腳部，此處應防止巖體屈服破壞[6－8]。隨著荷載加大，受拉區范圍加大。

3 先修建地面建筑，后開挖地下隧道

分析步驟：模擬初始地應力場—模擬修建完成地面建筑物—模擬開挖地下隧道。

3.1 模擬初始應力場

分析結果與上節初始應力完全相同。

3.2 模擬修建完成地面建筑物

修建完成地面建筑物后，未開挖前的巖石情況如圖17－18所示。

圖17 施加全部建筑荷載后的y方向應力云圖

圖18 施加全部建筑荷載后的y方向位移云圖

3.3 模擬開挖地下隧道

修建完成地面建筑物后，開挖后的巖石情況如圖19－22所示。

圖19 斷面開挖后施加了節點力的有限元模型

圖20 開挖后y方向應力云圖

圖21 開挖后y方向位移云圖

圖22 開挖后等效應力云圖

3.4 結果分析

從以上各圖分析可以得知[9]，先建地上建筑物后開挖隧道，在豎向荷載作用下：

1）圍巖有向洞室內部移動的趨勢。其中隧道洞頂受壓，產生豎向位移最大。

2）洞室兩邊圍巖受拉，底板中間部位有最大拉應力。拱腳和邊墻腳部受壓。

3）在拱腳和邊墻腳處存在拉力，其中兩邊墻腳部首先出現最大值，此處應防止巖體屈服破壞。隨著荷載加大，受拉區范圍逐漸擴大。

本論文中2種施工順序均未發現塑性區，為試探斷面哪些部位會出現塑性區，特在施工順序一的基礎上，施加一較大荷載，可以發現塑性區首先出現的部位是拱頂、拱腳和邊墻腳部[10－11]，如圖22所示。

圖23 加大貨載后變形圖

4 分析施工順序對地下洞室穩定性的影響

4.1 結果比較

對于先開挖地下隧道，后修建地面建筑，洞頂最大豎向位移為42.45mm，在y向應力云圖中，隧道拱頂和底板中心受拉。其中，最大拉應力出現在底板中心，為701.787kPa，從中心向兩邊受拉區逐漸擴大。在等效應力云圖中，拱腳和邊墻腳部受拉，最大拉應力出現在邊墻腳部，為2.44MPa，巖體有可能發生破壞，施工時應注意采取措施。

對于先修建地面建筑，后開挖地下隧道，洞頂最大豎向位移為48.15mm，y向應力云圖中，隧道拱頂和底板中心受拉。其中，最大拉應力出現在底板中心，為708.179kPa，從中心向兩邊受拉區逐漸擴大。在等效應力云圖中，拱腳和邊墻腳部受拉，最大拉應力出現在邊墻腳部，為2.74MPa，巖體有可能發生破壞，施工時應注意。

4.2 原因分析

先開挖地下隧道，后修建地面建筑，作用在開挖邊界上的“等效釋放荷載”相對較小（只是自重應力下引起），而這個“等效釋放荷載”是引起洞室開挖后圍巖變形和應力重分布的重要因素。當先挖好隧道后，再修建地面建筑時，逐層增加的豎向荷載會通過已建成隧道的拱結構逐漸傳遞到圍巖上去[12－13]。

5 結 論

從以上分析可以看出，先修建地面建筑，后開挖地下隧道，洞頂豎向位移會大些，造成的底板中心拉應力也較大，而先開挖地下隧道，后修建地面建筑，洞頂豎向位移會小些，造成的底板中心拉應力也較小。因此相比較而言，先開挖地下隧道后修建地面建筑施工順序比先修建地面建筑后開挖地下隧道的施工順序更為有利，這也符合建筑施工的基本原則——先地下后地上。在隧道施工過程中，盡量采用有利施工順序；若采用不利施工順序，必須精心設計，加強施工組織設計，強化施工過程的監測，完善各種預案，落實組織保障，確保人們生命財產安全和整個隧道工程的質量安全。

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