某隧道二維數值模擬優選施工方法及支護參數探析

張競予，王暉

（陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000）

某隧道二維數值模擬優選施工方法及支護參數探析

張競予，王暉

（陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000）

文章依據某隧道設計與施工方法，應用有限元軟件（ANSYS）對其采用CD開挖工法和三臺階七步開挖工法的施工過程進行二維有限元數值模擬，對比分析了不同開挖方法下的圍巖位移場及支護結構內力狀態等主要結果，獲取各工法施工過程中黃土圍巖與支護體系的力學性狀，并進行論述。

CD工法；三臺階七步工法；數值模擬

1 概述

有限元法的基本思想是將連續的結構離散成有限個單元，并在每一個單元中設定有限個節點，將連續體看作是只在節點處相連接的一組單元的集合體；同時選定場函數的節點值作為基本未知量，并在每一個單元中假設一近似插值函數以表示單元場中場函數的分布規律；進而利用力學中的某些變分原理去建立用以求解節點未知量的有限元方程，從而將一個連續域中的無限自由度問題化為離散域中的自由度問題。一經求解就可以利用解得的節點值和設定的插值函數確定單元上以至整個集合體上的場函數。

2 工程概況

本隧道為上、下行六車道隧道，自西向東長約3.0km，隧道寬度為14.0m。地形主要為溝谷和高階地，部分地段為泥石流、滑坡易發區；埋深較大，地面標高約為1600m，洞身主要通過所通過地層結構較為復雜，主要是素填土、黃土狀粉土、片麻巖及砂礫巖等。在施工勘察期間，未揭示到地下水，但根據區域地質資料，片麻巖中可能存在基巖裂隙水。

3 計算參數與模型建立

3.1 計算參數確定

本文依托《巖土工程勘察規范》及本隧道地質勘察報告，采用四節點平面單元PLANE42模擬圍巖；BEAM3模擬噴射混凝土及鋼架單元；錨桿注漿加固圈采用等效原則模擬，即四節點平面單元PLANE42加以模擬；鋼筋網、小導管不予以考慮；二次襯砌作為安全儲備也不予以考慮。

計算參數 表1

實常數 表2

3.2 模型建立

本隧道主要考慮的施工方法為CD及三臺階七步開挖工法，以下為兩種工法的有限元模型。

圖1 CD工法有限元模型

圖2 三臺階七步工法有限元模型

4 數據分析

根據ANSYS模擬計算范圍確定原則通常，在本次計算中，模擬開挖隧道最大跨徑為16.00m，最大開挖高度為10.70m，埋深僅為25m，小于1倍跨徑；模型解析區域：向下取接近3倍隧道高度范圍，即35m；左右取接近隧道4倍跨徑范圍，即64m；向上取直至地表范圍；在該范圍外的土體則認為不受影響。本隧道觀測點主要為：拱頂、左右兩側拱腰及左右兩側最大跨處。

4.1 圍巖豎向最終沉降量分析

數值模擬計算結果見表3。

各關鍵部位豎向位移表（單位：mm） 表3

圖3 三臺階七步工法最終沉降

圖4 CD工法最終沉降

4.2 支護結構內力分析

數值模擬計算結果見表4。

各關鍵部位軸力表（單位：kN） 表4

圖5 三臺階七步工法軸力云圖

圖6 CD工法軸力云圖

由以上圖、表分析得出：

①CD法拱腰最終沉降量為 60.44mm和60.24mm，三臺階七步開挖法拱腰最終沉降量為118.97mm90.25mm；CD法最大跨最終沉降量為28.26mm和50.77mm，三臺階七步開挖法最大跨最終沉降量為125.80mm和99.06mm。三臺階七步法的最終沉降量比CD法減少56.83%；從拱腰沉降值分析，CD法較三臺階七步法更加對稱，數值大小更加接近，CD法拱腰處最終沉降量比三臺階七步法減少50.49%；從最大跨處沉降值分析，CD法最大跨處最終沉降量比三臺階七步法減少78.56%。因此，選用CD法施工更為合理。

②CD法施工引起的支護結構軸力普遍高于三臺階七步法；CD法施工引起的支護結構最大軸力產生于左側最大跨處，為2749.3kN，是三臺階七步法的18倍之多，但仍屬于可控范圍之內。

③從整體開挖過程來看，CD法施工最終引起的支護結構內力較三臺階七步法更為對稱，所以從內力分布狀態而言，CD法優于三臺階七步法。

④隧道支護參數為：噴射C25混凝土厚25cm；工20b鋼拱架間距50cm；徑向系統錨桿φ25螺紋鋼長4.5m；4組8根下斜30°的φ42鎖腳錨管長5m（1、2、3、4開挖部腳部各一組鎖腳錨管）；φ8鋼筋網網孔間距20×20cm；縱向連接筋為φ22螺紋鋼筋，環向間距1.0m。

5 結論

通過對本隧道不同施工方法數值模擬，得出以下結論：

①兩種不同的施工方法，其圍巖沉降分布大致一樣，位移最大處均位于拱頂部分；其中三臺階七步法開挖引起的洞身下沉量較CD法更大。

②隧道開挖順序對支護結構內力的分布區域影響較大，三臺階七步工法主要集中在拱頂處，CD工法主要集中在邊墻處。

本文結合某隧道具體實際施工情況，對兩種施工方法有針對性的進行分析、計算和研究，提出合理的施工方案，并且通過了實際工程的驗證取得了良好的實踐應用效果。

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U455.4

B

1007-7359（2016）06-0111-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.042

陜西鐵路工程職業技術學院科研基金項目《用二維數值模擬優選隧道施工方法及支護參數的研究》（編號：2015-17）。

張競予（1984-），女，山西運城人，講師，研究方向：地下工程施工技術。