隧道開挖進尺對襯砌結構的影響研究

盧妙坍

（重慶交通大學 橋梁與隧道工程 重慶 400074）

隧道開挖進尺對襯砌結構的影響研究

盧妙坍

（重慶交通大學 橋梁與隧道工程 重慶 400074）

本文利用大型有限元軟件ANSYS對隧道合理的開挖進尺進行三維數值模擬，得出不同開挖進尺對有襯砌和無襯砌情況下隧道圍巖與支護結構的位移、應力的變化規律，據此合理確定隧道的開挖進尺，充分發揮圍巖的自承能力，優化隧道的施工設計，降低建設成本。

ANSYS，三維數值模擬，有限元法，開挖進尺，

隧道在實際掘進過程中，圍巖的應力重分布和復雜的圍巖地質結構都會給施工帶來不利的影響。因此，在隧道工程施工前，弄清楚工程掘進的過程中隧道結構和圍巖的位移、應力、應變對于安全施工至關重要。計算機三維數值模擬隧道開挖能夠快速、直觀地了解開挖過程中可能出現的各種不利因素，據此建立合理的施工方案。

汪易森，李小群[1]采用三維彈塑性有限元，模擬計算洞室群的施工過程，得出了開挖過程應力，位移和屈服范圍的變化規律優化了整體設計；惠麗萍，王良[2]探討了淺埋暗挖土質隧道開挖進尺的優化，得出開挖進尺與地表沉降有關。但是這些方法事先無法了解隧道施工過程中圍巖-支護體系的力學動態，如拱頂下沉、內空收斂、圍巖與支護結構的受力等這樣一些可以用來評定隧道穩定的重要資料和數據，故提出的設計方案的可靠性就有相當的局限。筆者根據工程實例建模分析以地層結構法為基礎，運用有限元分析軟件ANSYS模擬隧道施工實際開挖支護的力學狀態，分析圍巖各測點的位移，確定合理的開挖進尺，及時優化施工工藝，指導隧道施工。

1.工程概況

如圖1-1為我國某高速鐵路隧道的襯砌斷面型式，具體尺寸見圖。已知條件：隧道埋深50m，Ⅳ級圍巖參數為重度γ為22kN/m3，變形模量E為1.3GPa，泊松比為0.35，內摩擦角27°，粘聚力c為0.20MPa；初期支護參數為噴射混凝土厚度28cm，混凝土標號C25，彈性模量為23GPa，泊松比為0.2，采用I20b鋼架加強，間距為0.6m，彈性模量為210GPa

2.數值模擬過程

由于電腦計算能力有限，取隧道長度為60m，分15個開挖步，開挖隧道，每步進尺 4m。檢測 30米處的拱頂下沉、周邊收斂和掌子面擠出位移。襯砌采用SHELL181，截面寬度0.65m，彈性模量2.23GPa，泊松比0.2，密度2600KN/m3。圍巖采用 SOLID45，彈性模量 1.3 GPa，泊松比 0.33，密度2200KN/m3，黏聚力0.2MPa，內摩擦角27°。

圖1 隧道三維模型網格Fig.1 Grid of tunnel three-dimensional model

3.開挖步分析

自重作用下，先殺死襯砌單元，得模型在自重作用下變形、位移和內力；之后以4米/步是我開挖速度進行模擬，分別得出每個開挖步對應的開挖進尺的變形、位移和內力圖以及未開挖部分的切片力。

4.測點數據分析

4.1 拱頂位移分析

根據計算，分別記錄每一開挖步拱頂處的位移，并作出拱頂位移隨開挖步的坐標圖如下：

圖2 有襯砌結構拱頂下沉位移Fig.2 Vault settlement displacement of lining structure

圖3 無襯砌結構拱頂下沉位移Fig.3 Vault subsidence displacement without lining structure

隨著開挖進尺的增大，距離監測點距離較近時位移逐漸增大，到達監測點時位移達到最大；有無襯砌時的拱頂位移趨勢時一樣的；對比分析可知，在有襯砌結構的隧道中其拱頂下沉位移大小比無襯砌的隧道小，較合理的開挖進尺為8m。

4.2 周邊收斂位移分析

根據計算，分別記錄每一開挖步拱頂處的位移，并作出周邊收斂位移隨開挖步的坐標圖如下：

圖4 有襯砌結構周邊收斂位移Fig.4 Peripheral convergence displacement of lining structure

圖5 無襯砌結構周邊收斂位移Fig.5 Peripheral convergence displacement without lining structure

隨著開挖進尺的增大，距離監測點距離較近時位移逐漸增大，到達監測點時周邊位移達到最大；有無襯砌時的周邊收斂位移趨勢時一樣的；對比分析可知，在有襯砌結構的隧道中其周邊收斂位移大小比無襯砌的隧道大，其較為合理的開挖進尺為8m。

4.3 掌子面擠出位移分析

根據計算，分別記錄每一開挖步拱頂處的位移，并作出掌子面擠出位移隨開挖步的坐標圖如下：

圖6 有襯砌結構掌子面擠出位移Fig.6 Concrete lining of tunnel face extrusion displacement

圖7 無襯砌結構掌子面擠出位移Fig.7 No lining structure of tunnel face extrusion displacement

隨著開挖進尺的增大，距離監測點距離較近時位移逐漸增大，到達監測點時掌子面擠出位移達到最大；有無襯砌時的掌子面擠出位移趨勢時一樣的；對比分析可知，在有襯砌結構的隧道中其掌子面擠出位移大小比無襯砌的隧道小，其較為合理的開挖進尺為8m。

5.結論

從計算結果可以看出，隨著開挖的進行，隧道結構檢測點C的Y向位移隨著離測點距離減小而增大，當開挖測點時發生最大拱頂下沉位移，有襯砌結構沉降量約為 7.46mm，無襯砌結構沉降量約為 7.86mm；隨著開挖的進行，隧道結構檢測點AB的X向位移隨著離測點距離減小而增大，當開挖測點時發生最大周邊收斂位移，有襯砌結構收斂值約為 3.62mm，無襯砌結構收斂值約為 3.94mm；隨著開挖的進行，隧道結構檢測點O的Z向位移隨著離測點距離減小而增大，當開挖測點時發生最大掌子面擠出位移，有襯砌結構位移約為 0.342mm，無襯砌結構位移約為0.432mm；

由上述結果可知，該隧道較為合理的開挖進尺為8米。

[1]汪易森,李小群.地下洞室群圍巖彈塑性有限元分析及施工優化[J].水力發電. 2001，(6): 35-38

[2]惠麗萍,王良.淺埋暗挖土質隧道開挖進尺的理論[S]. 鐵道標準設計. 1995 (11): 25-2

In this paper reasonable tunnel excavation footage for 3D simulation has done using large-scale finite element analysis software ANSYS. We come to the change regularity, the lining and unlined cases, that different excavation footage on stress and displacement of surrounding rock and supporting structure of tunnel. Accordingly to determine reasonable tunnel excavation, give full play to the bearing capacity of surrounding rock, optimizing the construction design of the tunnel and reduce construction cost.

ANSYS, 3-D numerical simulation, Finite element method, Footage of excavation

TU 43；O344

A

1007-6344（2016）07-0047-02