軟弱圍巖隧道ANSYS有限元數值模擬與現場監控量測對比研究分析

張舉鵬

【摘 要】隨著深埋、長大山嶺隧道建設日漸增多，隧道穿越地層的復雜程度加劇、建設難度加大，軟弱圍巖隧道的穩定性和支護方法已成為工程施工中亟需解決的問題。通過對軟弱圍巖的地質特征及工程特性、軟弱圍巖破壞的特征及影響因素進行研究；基于監控量測和數值模擬分析重點研究了圍巖與初期支護的相互作用應力，初期支護變形隨時間發展的規律。以典型斷面為例，應用 ANSYS有限元軟件對隧道穩定性進行數值模擬計算，根據現場監控量測數據，繪制收斂速率隨時間變化曲線，與監控量測數據實際研究分析對比，找出圍巖變形及穩定規律，確定二襯施做時機。

【關鍵詞】軟弱圍巖；監控量測；支護設計；數值分析

0 前言

我國正處于隧道建設的高潮時期，在隧道建設上每年都投入大量的人力、物力和財力[1]，以適應社會主義市場經濟發展的要求。長期以來，隧道圍巖穩定性評價和隧道開挖后應力重分布特征研究是工程地質學者研究的重要課題[2]，對于地質構造發育的山區公路隧道而言，區域地質條件、地質構造則是與其圍巖穩定性所在有著直接關系的重要工程地質問題。比如區域性斷裂破碎帶地區，斷裂帶區域內的隧道圍巖意味著圍巖中各類結構面較為發育、圍巖結構松散、巖體破碎、裂隙水發育等因素導致圍巖基本處于體強度較低的碎裂狀態。實踐證明，破碎帶區域圍巖穩定性問題是十分重要的問題，它直接影響隧道工程的進度，關系著工程的成敗。某隧道施工中，由于地層破碎，圍巖穩定性差，出現塌方現象，迫使施工中斷，轉而又投入巨大的人力、物力來處理塌方事故，嚴重地影響了隧道施工的正常掘進，既延誤工期又造成巨大的經濟損失。

1 研究內容及采用方法

通過應用ANSYS有限元數值模擬計算，量測儀器的數據反饋；得出圍巖與支護結構產生的應力與ANSYS軟件理論計算[3]數據進行對比分析，對軟弱圍巖隧道的施工進行技術指導。

2 軟弱圍巖支護結構設計計算方法的基本原理

2.1 普氏計算原理

普氏理論算得的軟質圍巖松動壓力[4]，一般在松散、破碎圍巖中較為適用。普氏理論認為，所有的巖體都不同程度被節理、裂隙所切割，因此可視為散顆粒。但巖體又不同于一般的散顆粒，其結構面上存在著不同程度的黏結力。基于這種認識，普氏提出了巖體的“堅固性系數”f（又稱側摩擦系數）的理念。各計算數據見表1。

為確定圍巖的松動壓力，普氏進一步提出了基于“自然拱”概念的計算理論[5]。認為在具有一定黏結力的松散介質中開挖后，其圍巖上方會形成一個拋物線形的自然拱，作用在支護結構上的圍巖壓力就是自然拱內松散巖體的重量。而自然拱的形狀和尺寸（即它的高度hk和跨度bt）與巖體的堅固性系數f有關。具體表達式為：

2.2 ANSYS有限元計算與現場量測分析數據

2.2.1 荷載計算與數據分析圖

2.2.2 對比分析

某隧道地質條件之復雜實屬罕見，工程特點可以概括為：深埋、偏壓、富水、高地應力，軟巖、順層、山高谷深、地質復雜、施工風險多、科技含量大及建設標準高。通過應用ANSYS有限元軟件數值計算和現場監控量測對比分析，理論分析與實際監控量測數據基本相符，具體分析如下。

如圖3所示的10個鋼筋計從埋設鋼筋計到一個月后測試數據，分析可得出應力在開始的一段時間內都呈遞增的趨勢，且應力都為負值，即為壓應力。說明在初期支護完成后，初期支護各個部位都是受壓的，壓力逐漸增加。但是這一階段又隨鋼筋計的埋設位置不同，變化時間上有較大差異。持續時間最短的為983#，約3天，壓力增加也較小，為46.5MPa；持續時間較長的為988#，從9月26日埋設鋼筋計到10月6日均為壓力遞增過程，壓力增量達到57.3MPa。在10月5日到6日曲線均有較大的突變，主要是受仰拱開挖和仰拱施工影響。該段時間內的各個鋼筋計均為壓應力減小，其中983#、971#鋼筋計甚至顯示出現了拉應力。由于受壓部位各不相同，變化的量也有很大差異，其中982#鋼筋計的壓應力變化最大，壓應力減小量達到84.8MPa；990#鋼筋計的壓應力相應變化較小，其變化量為18.5MPa。仰拱澆筑完成后，鋼筋計壓應力的變化趨勢均為重新開始緩慢增大。其中018#、982#、990#的壓應力的增大過程均比較緩慢，持續時間很長；而983#、974#、988#、971#的壓應力增大和減小的過程較短，曲線變化較明顯，持續時間短。014#（拱頂）和994#分別數日后因超過鋼筋計測程而失效，994#和981#鋼筋計最后的讀數分別為150.7MPa和45.4MPa，均未達到鋼筋計的量程。10月15日以后的測試讀數漸趨穩定，表明在仰拱澆筑后圍巖變化趨于穩定。

3 結論

軟弱圍巖的應力重分布和變形是一個比較長的過程，其穩定需要時間較長，而且在隧道斷面的各個位置，圍巖的受力狀態和變化過程均相差較大。通過現場監控量測量化了極限位移分級標準，確定控制標準，逐步完善軟巖隧道變形控制技術。根據試驗實測數據反演接觸壓力，通過對圍巖大變形機理和變形特點的研究，現場施工中根據圍巖變化情況，及時調整循環進尺、支護參數、預留變形量；提出了在炭質頁巖富水地層采用“合理變形、剛柔并濟、多重支護”；在炭質頁巖貧水地層采用“合理變形、剛柔并濟”的控制軟弱圍巖大變形的設計理念。

【參考文獻】

[1]尤曉偉，張青喜.公路工程[M].北京：清華大學出版社，北京交通大學出版社，2008：1-10.

[2]關寶樹.軟弱圍巖隧道施工技術[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3]李圍.隧道及地下工程ANSYS實例分析[M].北京：中國水利水電出版社，2008：285-306.

[4]朱永全，宋玉香.隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[5]葉見曙.結構設計原理[M].北京：人民交通出版社，2010：138-206.

[責任編輯：田吉捷]