電力隧道淺埋暗挖法施工地層變形二維數(shù)值模擬分析

黃方泉 張光碧 姚良學(xué) 朱迪生

（1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院 四川 成都 610065；2.成都市政工程設(shè)計研究院 四川 成都 610015）

地層變形的預(yù)測方法主要有經(jīng)驗公式法、模型試驗法和理論方法，其中理論方法一般包括解析法和數(shù)值法。由于數(shù)值法具有能夠較好的模擬復(fù)雜的邊界條件、巖土介質(zhì)的特性和動態(tài)模擬實際的施工過程等特點，因而在模擬復(fù)雜的地下工程中得到了廣泛的應(yīng)用。本文即采用數(shù)值法對雙慶路電力隧道淺埋暗挖法施工地層變形進行模擬分析。

1 工程概述

雙慶路電力隧道工程位于成都市，該隧道在00+00～01+80段采用淺埋暗挖法進行施工。本片區(qū)所處地貌為岷江水系成都平原II級階地，場地地形起伏較小。由上至下地層依次為第四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層及白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖地層，其中第四系上更新統(tǒng)沖洪積層為粘土、粉質(zhì)粘土和卵石，卵石層頂板埋藏深度7.3m～10.7m。該隧道埋深約9.0m～16.0m，開挖范圍以上覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層，開挖斷面范圍以第四系上更新統(tǒng)沖洪積層為主，粘土、粉質(zhì)粘土和卵石層為隧道持力層。開挖方式采用上下臺階預(yù)留核心土的開挖方式，并配以小導(dǎo)管注漿的超前加固措施及掛雙層鋼筋網(wǎng)、設(shè)格柵鋼拱架及噴射砼等支護措施。

2 地層變形的二維有限元數(shù)值模擬

引起地層變形的因素很多，本文僅就隧道的斷面形式、開挖方法及預(yù)加固措施對地層變形的影響進行研究。

2.1 基本假設(shè)與參數(shù)的選取

（1）在建立模型前做了以下基本假設(shè)：

①地層為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的介質(zhì)；②巖土體及加固區(qū)材料采用D-P材料本構(gòu)模型，不考慮體積的膨脹，混凝土材料為線彈性材料；③由于為城市淺埋軟弱圍巖隧道，巖土體較破碎，故本次初始應(yīng)力場只考慮自重應(yīng)力場，不考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響；④不考慮地下水的影響；⑤模擬時只考慮初期支護的作用，二次襯砌僅作為安全儲備，模擬時不予考慮；⑥只考慮重力作用，不考慮地面荷載及建筑物的影響。

（2）材料參數(shù)及單元的選取

雙慶路電力隧道為Ⅴ級圍巖，以第四系上更新統(tǒng)沖洪積層為主。在ANSYS中，土體材料采用D-P準(zhǔn)則進行模擬。采用4節(jié)點，Plane42二維實體單元模擬隧道圍巖，求解平面應(yīng)變問題前需將其默認的平面應(yīng)力單元修改為平面應(yīng)變單元，采用二維彈性梁單元Beam3來模擬初期支護的混凝土。參照實際工程資料并結(jié)合《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70－2004)選擇材料的參數(shù)，見表1。

2.2 邊界條件和模型尺寸的確立

本次模擬隧道左右邊界均取5倍的洞室跨度，下邊界取5倍的洞高，由于埋置深度為9.0m，故上邊界取至地表。洞室跨度方向取40.0m，高度方向取39.0m，最終建模尺寸為40.0m×39.0m（寬×高）。對于建立的模型，左右邊界施加X方向的約束，下邊界施加Y方向的約束，上邊界選至地面，不施加約束。

2.3 斷面形式對隧道地層的影響分析

本文運用ANSYS就矩形、直墻拱形、橢圓形和圓形這四種斷面形狀開挖對隧道地層變形的影響進行模擬分析[1]～[3]。其計算結(jié)果及分析如下。

以上四種斷面形式的隧道關(guān)鍵位置的位移和應(yīng)力見表2。

結(jié)合表2，從受力和位移的角度考慮，最優(yōu)的斷面依次為圓形、橢圓形、直墻拱形、矩形。但在滿足相同凈空的條件下，圓形斷面隧道施工成本較高。雙慶路電力隧道屬于淺埋暗挖隧道，地層的應(yīng)力相對較小，主要考慮斷面形式對變形產(chǎn)生的影響。本電力隧道的尺寸為3.74m×5.22m（寬×高），屬跨度小而高度大的小斷面隧道，而橢圓形隧道一般用于跨度相對較大的大斷面隧道。直墻拱形斷面隧道施工起來相對較簡單，施工速度較快，對控制地層的沉降有利，下文的模擬即采用直墻拱形斷面形式進行研究。軟弱圍巖隧道施工時，拱頂要做一定的預(yù)加固措施。

2.4 預(yù)注漿超前支護對隧道地層沉降的影響分析

雙慶路電力隧道為淺埋軟弱圍巖隧道，開挖前沿拱頂和上斷面環(huán)向施作L=2.5m，φ32超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距300mm，仰角5°～8°，漿液采用水泥漿。用ANSYS進行數(shù)值模擬時擬在拱頂和上半斷面范圍形成了厚度為2.5m的加固區(qū)。

在ANSYS中，對于超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護措施的模擬是通過提高加固區(qū)圍巖的材料參數(shù)實現(xiàn)的。在相同的埋置深度、初始地層條件和開挖方法下，通過以下幾種工況模擬隧道預(yù)加固措施對地層沉降的影響[4]～[5]：①工況一：不進行注漿超前支護；②工況二：注漿后按提高隧道圍巖加固區(qū)參數(shù)10%考慮；③工況三：注漿后按提高隧道圍巖加固區(qū)參數(shù)20%考慮；④工況四：注漿后按提高隧道圍巖加固區(qū)參數(shù)30%考慮。其計算結(jié)果及分析如下：

（1）預(yù)注漿超前支護對拱頂沉降的影響

由數(shù)值模擬計算知：隧道開挖完成時，四種工況下產(chǎn)生的最大地層沉降均發(fā)生在開挖隧道的拱頂部位，位移分別為19.007mm、17.452mm、16.660mm、16.423mm，拱頂位移由工況一減小到工況四，分別降低了9.0%、4.53%、1.59%，地層沉降變化速率呈逐漸減小的趨勢。由上分析知，當(dāng)加固區(qū)圍巖參數(shù)提高到20%時，再通過提高預(yù)注漿的強度改善加固區(qū)土體的性質(zhì)，對于減小拱頂?shù)某两敌Ч巡幻黠@。

（2）預(yù)注漿超前支護對地表沉降的影響

選取地表一系列點為觀測點，讀取隧道開挖時地表觀測點的地表沉降值，如圖 1。

圖1 預(yù)注漿超前支護對地表沉降的影響

圖2 開挖方法對地表沉降的影響

表1 有限元計算的物理力學(xué)參數(shù)

表2 不同斷面形式隧道關(guān)鍵點位移與應(yīng)力比較

表3 不同開挖方法地層沉降表

由圖1知，四種工況下產(chǎn)生的最大地表沉降均發(fā)生在開挖隧道中軸線的正上方，變化規(guī)律基本符合Peck公式描述的正態(tài)曲線形式，且其值由X=0至X=+20m（-20m）逐漸減小，并關(guān)于Y軸對稱。四種工況下最大地表沉降量分別為6.82mm、6.15mm、5.90mm、5.81mm，地表沉降量由工況一減小到工況四，分別降低了8.48%、4.06%、1.53%，地表沉降變化速率呈逐漸減小的趨勢。地表最大沉降的變化趨勢跟拱頂沉降類似，當(dāng)加固區(qū)圍巖參數(shù)提高到20%時，再通過提高預(yù)注漿的強度改善加固區(qū)土體的性質(zhì)，對于減小地表沉降的效果已不明顯。

由此可見，單純通過提高超前支護注漿的材料強度來控制地層的變形是不合理的。

2.5 不同開挖方法對淺埋暗挖隧道地層變形數(shù)值模擬

淺埋暗挖常用的施工方法有：全斷面法、上下臺階法和上下臺階預(yù)留核心土法[6]～[8]。對三種施工方法采用相同的埋置深度和圍巖參數(shù)，注漿后按照提高隧道圍巖加固區(qū)參數(shù)10%考慮，三種施工方法分別對應(yīng)工況一、工況二和工況三。其計算結(jié)果及分析如下：

（1）開挖方法對拱頂沉降的影響

由數(shù)值模擬計算知，豎向最大沉降量發(fā)生在拱頂部位。各開挖方法產(chǎn)生的拱頂沉降見表3。

由表3知，全斷面法開挖產(chǎn)生的沉降量最大，上下臺階法次之，上下臺階預(yù)留核心土法產(chǎn)生的沉降量最小。對工況二、三而言：最大沉降主要發(fā)生在上臺階開挖階段，開挖的總沉降量分別為全斷面法開挖的88%、83%。

（2）開挖方法對地表沉降的影響

選取地表一系列點為觀測點，讀取隧道開挖時地表觀測點的地表沉降值，如圖2。

由圖2知，三種工況下產(chǎn)生的最大地表沉降均發(fā)生在隧道中軸線的正上方，變化規(guī)律基本符合Peck公式描述的正態(tài)曲線形式，且其值由X=0至X=+20m（-20m）逐漸減小，并關(guān)于Y軸對稱。三種工況下最大地表沉降量分別為 6.15mm、5.26mm、4.81mm，跟拱頂沉降的規(guī)律類似，全斷面法開挖引起的地表沉降最大，上下臺階法次之，上下臺階預(yù)留核心土法最小。

3 結(jié)語

（1）本文結(jié)合雙慶路電力隧道工程，利用ANSYS對隧道的斷面形式、預(yù)加固措施、開挖方法等因素對地層變形影響進行了數(shù)值模擬分析，為類似隧道工程設(shè)計施工提供了一定的參考。

（2）在相同的施工條件下，從對變形的影響分析，最優(yōu)的斷面形式依次為圓形、橢圓形、直墻拱形、矩形。直墻拱形斷面隧道施工對控制地層的沉降有利。

（3）提高注漿區(qū)圍巖參數(shù)能夠降低拱頂和地表的沉降量，但超過一定限度后，對于減小拱頂和地表的沉降效果已不明顯。

（4）上下臺階預(yù)留核心土法開挖引起的拱頂和地表沉降較小，表明施工時將較大的斷面劃分成小的斷面，且每步通過支護措施，均成環(huán)封閉，有益于減小地層的沉降。陜西水利

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