有限元分析在隧洞塌腔處理中的應用

樊一平

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊830000）

在隧洞開挖過程中，經常發生災害性事故，這會大大影響工期及工程費用， 甚至會危害到施工人員的生命安全。 隧洞塌腔是比較常見的一種隧洞施工事故，本文基于實際工程，通過有限元分析圍巖的變形及隧洞支護過程中各部位應力的變化， 驗證實際工程中支護措施的合理性。

1 研究背景

新疆某輸水工程，全長148km，輸水流量65m3/s，其中140km為無壓隧洞段，主洞隧洞段主要分為鉆爆施工段和TBM施工段。 主洞段全線設11條施工支洞，其中2#施工支洞設在主洞樁號13+500處，該支洞與主洞相交處為TBM1-1與TBM1-2之間的TBM檢修洞段，該支洞長度1729m，綜合坡度約12%，最大埋深200m，襯砌后洞型為城門洞型，主要作為施工機械、車輛的施工通行使用，同時也為主洞施工段排水、通氣、出渣等提供通道， 主洞建成后作為主洞補氣通道進行保留。 2#支洞穿越巖層巖石基本為黑云母石英片巖，支洞穿越圍巖類別有Ⅲ、Ⅳ類，主要以Ⅲ類為主。

在現場施工過程中，2#支洞開挖至樁號1+235～1+240處時，邊、拱頂出現塌腔，頂拱形成了高度3.6～6.3m的塌腔，塌腔體積大致250m3，塌腔最高處在1+240樁號處，塌腔高度6.3m，最大塌腔位置如圖1。 根據現場地質人員查看，此段圍巖較為破碎，為Ⅳ類圍巖。

圖1 樁號1+240處塌腔示意圖

圖2 隧洞斷面結構

樁號1+235～1+240處隧洞埋深約120m， 隧洞形狀城門洞型， 襯砌后斷面尺寸為底寬7.0m， 高度6.8m， 隧洞支結方式為一次支護+二次襯砌的形式，其中一次支護措施為邊墻、 頂拱施加厚度20cm的C25掛網噴護混凝土， 同時架立I16工字鋼拱架，邊墻、頂拱打設3.0m長φ25砂漿錨桿，錨桿間距1.2m，二次襯砌為厚度40cm的C30鋼筋混凝土。 隧洞斷面結構如圖2。

2 隧洞塌腔的影響因素

2.1 施工影響

輸水工程2#支洞穿越巖層巖石以黑云母石英片巖為主，穿越圍巖類別有Ⅲ、Ⅳ類，主要以Ⅲ類為主。圍巖等級較低， 因此在隧洞開挖過程中要盡量避免過多擾動圍巖，保護圍巖自身承載力，同時要實時支護，讓其與圍巖共同承載，增強隧洞的穩定性。

2.2 支護影響

支護反力與圍巖變形之間存在一定關系： 隧洞開挖初始，圍巖發生變形，若此時支護則造成支護反力過大，破壞圍巖結構；若支護不及時則會造成圍巖發生坍塌。因此在隧洞開挖過程中，要使圍巖在保持穩定情況下充分釋放應力， 當其應力釋放至較小時便可進行支護。

3 修復措施

本次輸水工程圍巖等級較低，隧洞施工工藝不完善可能會造成洞頂開裂引起下沉，甚至造成塌腔問題，開挖后短時間或變形量小時，初期支護與地層共同承受形變壓力，若支護不及時或支護后變形量過大，巖體松動后會使得荷載加大，由初期支護完全被動地承受松動壓力。 因此，必須保證初期支護的強度和剛度，及時支護，控制變形。同時需要使用噴射混凝土對塌腔部位巖面進行封閉，防止已揭露的圍巖進一步風化、掉塊；塌腔部位應采用加密鋼拱架進行加強支護，拱架之間加強連接，及時噴射混凝土封閉鋼拱架，使其形成整體，待混凝土具有強度后采用相同標號細石混凝土進行分層回填，隨后進行回填灌漿；根據現場圍巖情況，還需要增加φ25隨機錨桿。

4 有限元模擬設計

為了驗證此塌腔處理措施是否合理， 是否會對原設計一次、二次支護措施產生不利影響，根據隧洞塌腔受力情況，選取斷面為1+240處塌腔高度最大處斷面進行有限元模擬計算。

本次數值模擬中回填混凝土、噴護混凝土及二次襯砌混凝土結構采用彈性介質以二維實體單元模擬， 圍巖采用彈塑性Mohr—Coulomb準則模擬其屈服狀態，拱架采用彈性介質以梁單元模擬，錨桿采用彈性介質以桿單元模擬。 左右垂直邊界采用水平向約束，底部邊界采用水平及垂直向約束。 計算模型網格如圖3。

圖3 計算模型網格圖

5 計算參數選取

計算斷面圍巖參數根據前期勘探資料如表1，噴護混凝土、 襯砌混凝土和回填混凝土計算參數按規范規定混凝土參數進行選取，錨桿及I16工字鋼拱架參數按鋼材進行選取，支護混凝土及錨桿、拱架計算參數如表2。

表1 圍巖計算參數

表2 支護措施計算參數

6 計算結果

6.1 圍巖變形分析

在隧洞塌腔的過程中首先計算出圍巖初始變形量，模擬隧洞塌腔，計算得到圍巖變形云圖如圖4，圍巖變形最大的位置為塌腔頂部圍巖， 其變形量最大可達0.35cm。 從圖4可看出，深層圍巖變形量比淺層圍巖變形量較小且趨于穩定狀態； 經過噴射護混凝土、打錨桿及支拱架之后，可見一次支護圍巖變形量集中在0.17～0.29cm之間， 二次襯砌圍巖變形量集中在0.087～0.14cm之間，塌腔部位填充混凝土后，可見圍巖變形量有明顯減小，基本穩定在0.05cm以下，此時圍巖變形量達到有效控制。

圖4 圍巖變形云圖

因此， 通過及時支護圍巖可有效控制其變形，且根據有限元分析可看出，不同的支護方式可使圍巖變形量達到最大優化，使隧洞塌腔問題得到有效解決。

6.2 應力分析

從噴射混凝土應力云圖可看出， 噴射混凝土后隧洞頂部比兩側噴射混凝土應力大， 應力由隧洞頂部向兩側逐漸遞增， 直至隧洞拱肩部位達最大應力2.8MPa，此壓應力小于規范規定的C25混凝土抗壓強度設計值，并且隧洞兩側應力分布均勻，在邊墻中部可見明顯的應力集中現象， 但此時應力與頂部相比小很多，最小僅1.944kPa。 隧洞頂部與左右邊墻交接部位應力值存在明顯差異， 左半邊墻應力值明顯大于右半邊墻，這與現場實際情況相符，這是因為實際工程中隧洞左邊圍巖相較于右邊圍巖等級較高，在巖性強度不同情況下，噴射等量混凝土，可見其承受應力也達到不同效果。

圖5 計算應力云圖

從I16工字鋼拱架應力云圖中可看出，I16工字鋼拱架最大應力21.95MPa；觀察錨桿應力云圖，可以發現錨桿最大應力64.36MPa， 并且最大應力小于規范規定的三級鋼允許抗壓、抗拉強度設計值，這說明此時塌腔區域錨桿承擔了部分承載力的作用， 并且根據錨桿應力圖所示，錨桿應力呈現對稱分布；二襯混凝土最大應力1.02MPa，最大應力小于規范所規定的C30混凝土抗壓強度設計值。

根據應力有限元分析， 隧洞頂板處承受應力較大，因此容易造成隧洞塌腔事故。 通過噴射混凝土、采用加密鋼拱架、打入錨桿等措施，可將其承受應力能力大幅度增加，從2.8MPa增至64.36MPa，這對塌腔安全問題的正確處理提供了寶貴的參考依據。

7 結語

（1）根據計算，塌腔處理后一次、二次襯砌的應力值均在規范允許強度設計值以內， 說明所采取的塌腔處理措施是合適的。

（2）計算時塌腔回填材料參數選用的是C25混凝土參數，已對鋼支撐及噴護混凝土產生較大壓應力，建議塌腔回填時采用密度較小且能保證強度的材料。

（3）為了減少塌腔回填材料對于一次支護措施的不利影響，應該保證回填質量，為塌腔回填材料與巖壁之間提供足夠的摩擦力及黏結力， 一定要保證后期回填灌漿質量。