基于ABAQUS碎石土隧道穩定性數值模擬分析

楊幸福，崔正宇，黃志強

(1.中交路橋建設有限公司，北京 100027；2.中交路橋北方工程有限公司，北京 101111;3.沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870)

0 前 言

現階段我國的交通等基礎設施得到了迅速發展，在不良地質條件下的隧道施工越來越多。

隧道邊坡終年堆積的碎石土存在著富水、偏壓等問題，而且碎石土圍巖本身自穩性差，在施工中極易出現滑坡坍塌一類的地質災害，造成嚴重的社會影響和經濟損失，這些問題對施工中的安全措施和施工工藝提出了更高的要求。在隧道開挖過程中，碎石土圍巖會出現較大的變形、失穩，增加了塌方冒頂的施工風險，因此，采用什么樣的方法克服碎石土這樣的不良地質條件，對提高復雜地質條件下公路隧道的施工效率和安全系數具有重要的現實意義。

1 工程概況

貴州省石阡至玉屏(大龍)高速公路位于貴州省銅仁市，是貴州省政府高速公路攻堅決戰重點項目，該公路建成后將對完善貴州省高速公路網起到重要作用。小白巖隧道和將軍山隧道位于該高速公路的第TJ07標段(YK46+250～K53+473.573)，路線全長7 224 m，單洞全長7 318 m。其中，小白巖隧道左幅3 425 m，右幅3 445 m，將軍山隧道左幅230 m，右幅218 m，隧道的設計汽車荷載為公路Ⅰ級，車道數為雙向四車道。小白巖隧道、將軍山隧道均位于岑鞏縣平莊鄉境內，既有交通條件較差，隧址區地貌起伏較大，屬于典型山區公路隧道。其中，小白巖隧道屬于特長隧道，實際施工工期不足20個月，月綜合進尺最低要求完成216 m，才能滿足合同工期。根據地質勘查報告和實際開挖情況，隧道洞口邊坡和洞口段不同程度地穿越了復雜地質，施工風險大、技術難度高。

在新建的小白巖隧道、將軍山隧道進出口位置存在許多厚度較大的坡積碎石層，這些碎石層的斜坡坡度較大且順層節理發育，造成進洞口仰坡穩定性較差，開挖時易形成順層滑塌。碎石土層主要由粗、細顆粒土組成，其中粗顆粒土占主要成分，粗顆粒土的內部結構較為復雜，土中粒徑大小差異明顯，因而碎石土的顆粒集配對其抗剪強度等物理特性影響很大。貴州地區常年雨量充沛，碎石土中的孔隙水壓力會使邊坡的下滑力增大，而且造成滑面上的法向應力減小從而降低了碎石土的等效抗剪強度，最終導致碎石土滑坡。為了改善碎石土的力學特性，工程中采用了注漿加固技術來保持圍巖邊坡穩定，在兩處隧道中，圍巖級別為Ⅲ級～V級，其中V級區段圍巖最為復雜，施工中隧道洞身一旦開挖，圍巖將難以形成有效的承載拱，極易發生坍塌事故，因此V級區段是本隧道施工中的難點。本文利用ABAQUS有限元分析，模擬隧道碎石土圍巖的受力和穩定性，揭示碎石土圍巖的變形機理，確定隧道洞口坡體注漿加固的范圍、深度，對于加快隧道施工進度、降低工程成本具有重要的作用。

2 ABAQUS模型的建立

2.1 模型概況

本文結合小白山隧道現場施工的資料，建立了二維平面應變模型，如圖1。該模型邊界選取了一個長方形平面，長為50 m，寬為40 m，隧道洞身直徑為10 m，高度為5 m，取土體的自重方向為Y方向，上表面為自然地面。建模過程中將模型的左右邊界水平方向約束，將底部雙向約束，頂部則不作約束。本文計算中碎石土圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，襯砌采用彈性模型，整個模型包含542個單元和576個節點。

圖1 模型網格

2.2 計算參數

根據現場碎石土力學試驗測試和圍巖V級標準，在模擬隧道開挖和支護過程中，采用最不利工況下的材料參數，見表1。

表1 碎石土力學參數

開挖初期使用濕噴機噴射混凝土，濕式噴射粉塵少，回彈少，可以充分保證混凝土的質量，混凝土的強度等級為C30。襯砌采用鋼筋混凝土材料，厚度為30 cm(見表2)。

表2 襯砌材料參數

3 結果與分析

3.1 圍巖應力分析

根據動態模擬結果可以得出，隨著開挖工序的進行，開挖區周圍隨即產生拉應力，由于對碎石土圍巖的擾動增大，當拱頂開挖完成后，圍巖的拉應力達到了最大，最大值為22.45 kPa，如圖2。開挖完成后，應力會逐漸釋放，碎石土圍巖的最大拉應力隨之減小，襯砌施作完成后，最大拉應力為19.76 kPa，由此可見，襯砌對抑制拉應力擴展有很好的作用。隧道開挖時應力主要集中在拱頂處，所以初期支護注漿時也應特別注意加固拱頂圍巖。

圖2 拱部開挖后的應力云圖

圖3 襯砌施作后的應力云圖

3.2 圍巖位移分析

從模型的動態位移分布場可以看出，開挖過程中圍巖位移基本隨開挖進行呈增大趨勢，當全部開挖完成后，圍巖位移達到最大值。拱頂因碎石土擾動向下發生位移16.6 mm,拱底因碎石土擠壓向上發生位移18.3 mm,如圖4所示。所以在初期支護時不僅要噴射混凝土還要錨桿支護，避免碎石土圍巖因失穩引起塌方事故，而且拱頂和拱底處的位移都較大，施工注漿時要特別注意拱頂和拱底處的加固和支護。

圖4 開挖后豎向位移分布云圖

3.3 襯砌受力分析

從襯砌的應力云圖結果來看，拱底和拱頂受到的拉壓應力都比較小，均在0.3 MPa左右，但是拱腳處由于模型與實際隧道施工相差較大，造成應力集中，最大拉應力為3.69 MPa，最大壓應力為0.83 MPa，如圖5所示。在襯砌的位移云圖中，襯砌頂部向下發生位移8 mm,如圖6所示，碎石土圍巖較之前已經基本趨于穩定，但是襯砌拱底向下發生位移22 mm，可能是由于泥炭土地基不均勻沉降造成的，因此，施工時還應注意地基加固處理，減小沉降。

圖5 襯砌應力分布云圖

圖6 襯砌位移分布云圖

4 結 語

將小白巖和將軍山隧道的現場監測數據與模擬結果相對比，結果表明，現場監測到的圍巖和襯砌的應力位移較數值模擬結果偏小，主要是因為現場無法監測施工初期的地基沉降，而用ABAQUS做的數值模擬結果可以將這些因素考慮在內。綜上所述，利用ABAQUS所做的穩定性分析與現場的監測到的圍巖襯砌的受力位移較為吻合，可以得出如下結論。

1)在隧道開挖初期碎石土圍巖的穩定性會受到影響，開挖過程中應緊隨著施作支護和隧道碎石土的注漿加固。

2)碎石土圍巖較軟弱，穩定性也比較差，施工時要增加測點及時檢測到有效數據，特別是在拱腳、拱頂、拱底處，這些位置經常會出現應力集中和大幅沉降的情況，為保證施工安全必須加強檢測。

3)數值模擬往往和現場的實際工況有一定差距，為了減小誤差，模擬計算時各項參數應盡量依照現場的實際情況選擇，這樣才能計算出有效的模擬結果以供實際施工參考。

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