關虎沖隧道施工過程數值模擬與分析

張王杰

(中鐵二十局集團， 陜西 渭南市 714000)

0 前 言

隧道施工由于其復雜的工程地質狀況和諸多未知的因素，其安全性向來備受關注。由于隧道開挖過程難以用室內試驗來模擬，因此，數值模擬手段成為研究隧道施工的重要方法。國內外在對隧道施工過程進行數值模擬方面取得了豐富的成果，充分證明了數值模擬手段的有效性。王文正等人[1]采用“施加虛擬支撐力逐步釋放法”來模擬隧道開挖過程中應力的逐步釋放，并通過ANSYS軟件完全實現對隧道和地下結構等施工過程的數值模擬。霍潤科等人[2]模擬了隧道的動態開挖過程，分析了開挖過程中圍巖應力和應變的變化規律，并對施工過程中位移量較大及應力集中現象比較明顯的部位進行了重點研究。彭璟等人[3]用有限元法針對三臺階和上下臺階法進行了分析，得出了上下臺階法圍巖變形和塑性區分布比三臺階法小，三臺階法錨桿軸力、初期支護及二襯應力則比上下臺階法小的結論。夏才初等人[4]實測了相思嶺隧道的中墻應力，并與有限元法計算結果進行比較，指導了現場施工。胡巖松[5]采用ANSYS軟件對隧道施工全過程進行了數值模擬。本文針對某高速公路隧道的施工過程，應用有限元方法進行了數值模擬，研究了隧道開挖過程中的圍巖變形狀況。

1 工程概況

本文的研究對象關虎沖隧道位于湖南省境內的溆懷高速公路第10合同段，其左線線路里程為ZK125+090～ZK130+010，全長4918.0 m；右線線路里程為YK125+070～YK130+040，全長4970.0 m。隧道區地貌類型為中低山地貌，區內山頂最大高程為717.8 m，最低高程150.0 m。 隧道區內，沖溝中為沖洪積層，山坡及崗丘上為第四系殘坡積層，下伏基巖為石炭系化學巖及震旦系寒武系淺變質巖和未變質的化學沉積巖及少量碎屑巖。隧道穿越多座山體，沿線剝蝕、切割強烈，山體陡峭，沖溝呈狹長得“V”字形，沿線山頂與緊鄰沖溝高差一般為200～350 m。場地地下水主要為巖溶水和基巖裂隙水。巖溶水主要分布在石炭系白云質灰巖、白云巖灰巖等可溶巖分布區。隧道主要穿越III～V級圍巖，應用新奧法原理施工，采用復合式襯砌。初期襯砌包括：拱頂和邊墻部分采用梅花形布置藥卷錨桿，單層鋼筋網，噴射混凝土，格柵鋼拱架；二次襯砌采用模筑混凝土。

2 數值模擬分析

有限元技術作為一種應用廣泛的科學計算方法，已經成為解決復雜工程實際問題的重要手段。盡管隧道的洞型和施工工序均較為復雜，應用有限元計算分析仍不失為一種十分理想的方法。本文采用有限元方法作為數值模擬手段，選用了桿單元模擬錨桿，二維彈性梁單元模擬支護，二維實體結構單元模擬圍巖及開挖的土體。各材料參數見表1，計算模型見圖1和圖2。

2.1 應力狀態的模擬

在模擬隧道施工中，初始應力的模擬是十分重要的。本文在初始應力模擬時，只考慮巖土體的自重應力，忽視其構造應力。隧道開挖過程中，由于應力釋放的時間效應和施工工序的先后，地應力的釋放是一個逐步的過程。然而，每一步操作(開挖、支護)時，應力釋放多少是很難確定的。本例按照一般經驗，假定隧道開挖及施加初期襯砌時應力釋放60%，施加二次襯砌時釋放完全。

表1 關虎沖隧道材料屬性表

圖1 劃分網格之后的有限元模型

圖2 隧道襯砌支護模型

2.2 模擬結果

隧道各施工步驟后的位移云圖見圖3～圖8。

圖3 上臺階開挖后水平方向位移云圖

2.3 數值模擬結果分析

根據有限元計算結果，可以得到表2～表4所示的隧道變形數據：

圖4 上臺階開挖后豎直方向位移云圖

圖5 下臺階開挖后水平方向位移云圖

圖6 下臺階開挖后豎直方向位移云圖

圖7 施作二次襯砌后水平方向位移云圖

(1) 拱頂沉降。根據現場監控量測結果，實際開挖拱頂沉降的最終值為6.37 mm，與數值模擬的結果6.17 mm比較接近。然而，考慮到地下水和構造應力的影響，后續使用過程中車輛振動荷載的影響以及結構的老化，地震等不利因素的影響，應適當加強該區的支護，以提高安全性，確保后續使用過程中不會因為這些不利因素引起的拱頂進一步沉降而使隧道不安全。

圖8 施作二次襯砌后豎直方向位移云圖

施工步初始/mm上臺階開挖/mm下臺階開挖/mm施加二襯/mm絕對位移22.2826.6227.1228.45相對位移04.344.846.17

注：相對位移是指相對初始位移的值。

(2)周邊收斂位移。由收斂值可以看出，在開挖上臺階時，不僅沒有收斂，反而擴張了，且根據現場監控量測結果，最終收斂值為7.06 mm，比有限元模擬結果得出的1.20 mm要大很多。這應該是由于本文對初始應力的模擬上的缺陷引起的。本研究中由于沒有實際地應力量測數據，因此，初始地應力是只考慮自重應力的結果，并沒計入構造應力。而實際上，構造應力，尤其是水平向的構造應力對隧道變形的影響是很大的。因此，在以后做數值模擬時，初始應力的模擬應盡量使用現場實際量測值。

表3 周邊收斂計算結果

注：收斂值是指圖2中的A-A測線的收斂值

(3) 仰拱隆起量。由表4可以看出，不管是上臺階開挖還是下臺階開挖，都對隧道仰拱部位(雖然仰拱還未施加)產生了一定的變形影響。在施加仰拱后可以計算出，相對于下臺階開挖后的位置，三個監控點處的仰拱隆起量分別為：1號點：0.32 mm；2號點：0.22 mm；3號點：0.17 mm。這比實際監控量測結果(分別為1.24，1.06，1.43 mm)略小，因此在施工時應特別注意觀察仰拱的隆起狀態，并根據現場狀況采取相應的防范措施。

表4 仰拱隆起量計算結果

注：監測點是指圖2中的仰拱隆起監測點。

3 結 論

本文針對湖南溆懷高速公路關虎沖隧道工程施工過程進行了數值模擬研究，著重分析了隧道開挖過程中的圍巖位移變形狀態，得到了每個施工步驟后的拱頂沉降、周邊收斂、以及仰拱隆起量的數據，并與后期實際監測結果進行了對比分析。分析結果表明，拱頂沉降和仰拱隆起量的模擬計算結果與實測值較接近，但是周邊收斂的數值計算結果和實測結果存在一定的差異。這主要是由于本研究中初始地應力只考慮自重應力，并沒有計入構造應力所造成的。因此，在隧道施工過程的數值模擬中，初始應力場應盡量采用現場實際量測值。

參考文獻：

[1]王文正，夏永旭，胡慶安.公路隧道施工過程的數值模擬及ANSYS實現[J].西部交通科技，2007(4):1-4.

[2]霍潤科，于振振，岳齊賢.隧道臺階法施工的數值模擬與分析[J].水利與建筑工程學報，2011,09(1):6-9.

[3]彭 璟，劉彤彤，張為民.臺階法施工隧道結構受力性狀有限元分析[J].路基工程，2009(5):121-122.

[4]夏才初，劉金磊.相思嶺連拱隧道中墻應力研究[J].巖石力學與工程學報，2000,19(z1):1115-1119.

[5]胡巖松.ANSYS模擬隧道施工過程應用[J].山西建筑，2010,36(3):341-342.