深埋隧道動態施工數值分析

■劉志娟

（中國能源建設集團黑龍江省電力設計院有限公司 黑龍江哈爾濱 150078）

深埋隧道動態施工數值分析

■劉志娟

（中國能源建設集團黑龍江省電力設計院有限公司 黑龍江哈爾濱 150078）

本文使用有限元分析軟件對深埋圍巖進行數值分析，分析了圍巖段在施工工程中圍巖應力與位移的變化規律，根據變化規律指導反饋設計和對隧道施工安全進行超前預報。

深埋隧道動態施工數值分析

0 概述

隧道開挖和支護過程，實際上就是隧道圍巖卸載和加載的過程，施工中圍巖邊界條件不斷變化，造成深埋隧道在施工過程中常常出現實際情況與設計有差異的現象[1]。本文擬對埋深超過500米的深埋隧道動態施工進行模擬分析，為主動預防災害，實現安全施工提供科學依據。

1 隧道動態施工有限元數值分析模型

1.1 模型的建立

某高鐵隧道，埋深為579.74m，隧道設計凈寬度是12.82m，設計凈高度為10.58m，長12438m，圍巖襯砌支護斷面圖如圖1所示。圍巖等級為Ⅴ級，地層巖性主要為強風化石英砂巖，巖體破碎，裂隙發育，呈塊狀，易坍塌，設計施工采用環形開挖預留核心土挖法進行開挖和支護。

圖1 Ⅴ級圍巖襯砌支護斷面圖

圖2 隧道建模

計算范圍一般選取洞室半徑的3倍，綜合模擬隧道中心到上邊界為30m，到下邊界距離為40m；左右邊界相距100m。根據斷面設計圖，Ⅴ級圍巖初期支護厚度為28cm，二次襯砌厚度為50cm。具體模型見圖2。

1.2 網格的劃分

有限元網格劃分方法主要有自由網格和映射網格兩種，本模型采用四邊形的映射網格劃分，采用“內密外疏”的原則將整個模型網格劃分為2312個單元和2243個節點，具體劃分見圖3。

1.3 模型參數的選取

根據擬建隧道的巖土工程勘察報告，結合其工程地質特征，本次模擬分析選取圍巖的物理力學指標如表1所示，襯砌支護建筑材料的力學參數如表2所示[2]。

圖3 模型網格劃分

表1 各級圍巖物理力學指標

建筑材料 γ（KN/M3） Ec（Gpa） Ro（Mpa） Rf（Mpa） 泊松比噴射C25 22 23 ≥15 1.3 0.2 φ22錨桿 77 210 — — 0.25 C35混凝土 25 31.5 25.7 2.4 0.2

2 數值模擬開挖支護計算結果分析

2.1 初始應力模擬結果分析

利用ANSYS求解器求解后，得出隧道在開挖前初始應力和應變云圖如下圖4和圖5所示，可以看出，隧道在開挖前，X方向的最大位移為0.301cm，Y方向位移由上邊界向下邊界逐漸減小；由第一主應力云圖和第三主應力云圖可看出，隧道在開挖前，應力是由上至下逐漸減小。

圖5 Y方向位移云圖

2.2 環形土體開挖和支護模擬結果分析

隧道環形土體開挖模擬后，位移云圖見見圖6和圖7。可以看出圍巖的移動趨勢總體為向開挖面內擠壓，其中拱角處產生的水平位移達到最大值，最大值為0.2653cm。Y方向位移云圖可以看出圍巖總體的移動趨勢是拱頂下沉、兩側邊墻張開和仰拱向上鼓起，拱頂處豎向相對位移為-2.5203cm。

圖6 Y方向位移云圖

圖7 X方向位移云圖

環形土體開挖后，可以明顯的看出圍巖應力進行了二次分布，在X方向兩邊拱角和下臺階處應力明顯增大；Y方向拱頂處的應力分布呈“V”字型。應力分布總體趨勢向開挖部分擠壓，在拱頂和拱角處易發生應力集中現象，在施工中應注意及時的增加臨時支撐。

2.3 核心土開挖模擬結果分析

核心土開挖后，經模擬分析可以看出，X方向位移變化明顯減小，但位移變化最大處依然是拱角處，最大值為-0.3018，由此看出拱角處的應力集中現象較明顯。Y方向位移變化不大，相對位移變化最大處為拱頂，與開挖核心土之前的位移變化不大，已趨于穩定。

水平方向應力集中只有表現在下臺階，最大值為223.109kPa；豎向應力集中主要表現拱角處，最大值為185kPa。主應力云圖反映開挖后應力的集中主要體現在下臺階，第一主應力圖中反映最大主應力在下臺階開挖面處；第三主應力分布呈現倒三角形，最大主應力出也是下臺階處。

開挖核心土后，支護軸力變化不大；在拱角處剪力增大幅度較大，最大值為46.219KN；彎矩變化幅度也不是很大，但在兩邊墻處彎矩增幅較大，最大彎矩值為36.865KN.M。由此可見，預留核心土對軟弱圍巖開挖起著重要作用，能減緩下臺階應力的釋放速度。

2.4 下臺階開挖與支護模擬結果分析

下臺階開挖后，圍巖的位移云圖及應力分布圖如圖8所示。可以看出，X方向變化繼續減小，由此看出圍巖在水平方向變化趨于穩定。Y方向位移變化不大，相對位移變化最大處為拱頂，最大值為-27.981mm，說明拱頂處沉降也趨于穩定。

在開挖下臺階應力重分布后，水平方向應力集中現象趨于改善；豎向應力集中主要表現拱角和拱底處，最大值為21.945kPa，豎向應力集中現象也再改善。主應力云圖反映開挖后應力的重分布主要體現在拱角和拱底。在開挖下臺階后，要及時的施作支護。

下臺階土體開挖后支護結構的軸力、剪力和彎矩：開挖下臺階土體后，支護軸力向下臺階附近延伸；在拱角處剪力依然最大，最大值為33.797KN；邊墻處彎矩減小，拱頂處彎矩最大，最大彎矩值為33.797KN.M。

在隧道開挖過程中，在拱頂、邊墻、開挖面及下臺階處都出現應力集中的現象，但隨著噴射混凝土、剛拱架及鋼筋網等初期支護措施的完成，應力集中現象隨著開挖的進行逐漸緩解。

圖8 X方向位移云圖

3 結論

上述分析可以看出，隨著隧道的開挖和支護的進行，在整個過程中圍巖大部分區域是受壓的，只是在開挖面附近出現了一些小區域的拉應力，但在支護后，拉應力基本未見。因此，說明在本隧道初期支護設計中，所采用的設計參數是有效的。仰拱部分的拉應力相對較大，在開挖完下臺階后要及時的施作仰拱，使整個支護成環，形成一個有效的支護體系。在模擬整個開挖過程中，支護能有效的緩解應力集中和抵抗圍巖應變，設計的支護參數能夠使圍巖在開挖過程中保持穩定。

[1]傅鶴林，郭磊等.大跨隧道施工力學行為及襯砌裂縫產生機理 [M].北京：科學出版社，2009：47～86.

[2]熊鑫，深埋寬長隧道軟弱圍巖施工動態有限元數值模擬研究 [D],桂林理工大學碩士學位論文，2012.6.

U45[文獻碼]B

1000-405X（2015）-11-363-2