特大斷面公路隧道力學響應數值仿真

張立偉

(青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033)

1 引言

目前工業化進程隨著全球經濟快速發展而逐漸加快，城市化作為我國主要發展特征之一，其快速發展促使人口大量集中，相應而來也出現了城市交通擁擠問題。

公路是城市發展主要設施之一，也是城市化建設的基本框架。公路已城市社會、現代化發展的主要要求，具備適應快速、安全、方便的城市道路運輸能力[1]。通過公路可確定城市整體格局[2]。

近幾年，公路隧道建設項目大量增加，從單雙洞車道隧道向三車道、四車道、五車道甚至更多車道的特大斷面城市交通隧道方向轉變，但對于該方面的建設還缺少施工技術經驗[3]。相對特定的地貌條件，特大斷面公路隧道建設的數量取決于公路交通系統在未來建設項目中的要求[4]。

通常特大斷面公路隧道是在人口密集、建筑物集中、地理位置良好的條件下建設的，對于永久性建筑物隧道來說，擁有良好設計方案是保障城市交通安全運行的必要條件[5]。

分析隧道施工處的地理位置、地質條件以及施工過程對周圍巖石影響程度，是保障公路隧道安全、高效、快速施工必要因素。但由于特大斷面公路隧道跨度大，基本的支撐結構已經無法滿足巖石給予的較大壓力，再加上施工期間存在的多種復雜工序，對巖石造成了多次擾動，無法同步施工，因此極易發生巖石不穩定而導致隧道結構開裂現象發生[6]。

針對特大斷面公路隧道力學響應研究已有一些相對成熟的方法，如采用大數據研究、數據源分析和地質分析方法等，然而這些方法沒有考慮隧道工序復雜程度，導致開挖過程中，隧道圍層并不穩定，支護方式會隨著時間的流逝而發生改變，耗費大量的人力、物力[7]。

針對上述以往方法存在的問題，提出了一種新的特大斷面公路隧道力學響應數值模擬分析方法。通過數值模擬方法可分析隧道內結構施工動態，其中包括兩個部分，分別是確定巖土介質和模擬整個施工動態響應過程[8]。研究不同巖土介質復雜程度，對力學響應數值模擬仿真是在物理力學參數基礎上確定的，而施工過程中的動態仿真可模擬數值分析過程，盡可能保證模擬過程與隧道內物理屬性一致，通過借助模擬分析—有限元技術進行解決。

2 特大斷面公路隧道概況

公路隧道特大斷面示意圖如圖1所示。

圖1 公路隧道特大斷面示意圖

特大斷面公路隧道兩側多為砂巖，以圖1為例，設計該隧道與地面相對高度差為150m左右，為單斜山，呈現北高南低的狀態，頂層巖石厚度為30-150m。隧道沿線出現的露地層主要為兩種，分別是沉積巖層和全系松散土層[9]。而沿線表面主要是亞黏土和人工填土，大約厚0-1100m左右；下伏基巖為陸相沉積巖層，該巖層可劃分為砂巖和砂紙泥巖，呈現透鏡體狀[10]。

隧道走向與向斜走向一致，在無區域性段層中間的巖層構造裂隙并不會繼續斷裂，而巖層不同走向的傾角大都為7°～10°，應力水平較低[11]。

依據圖1所示的斷面示意圖，對隧道周圍巖層進行分級分析。

通常對隧道的設計應分為三個階段，分別是進洞階段、洞身階段和出洞階段，根據周圍巖層物理性質、斷層斷裂情況以及地理位置條件，獲取周圍巖層基本相關參數指標[12]。按照《公路隧道設計規范》將周圍巖層分級，結果如表1所示。

表1 特大斷面公路隧道周圍巖層分級

依據表1中的內容，對力學響應數值進行模擬仿真。

3 力學模型構建及結構計算

根據上文中的圖1可知：特大斷面是由三心圓形曲邊墻結構組成的，模型邊界至隧道中心大約為3.5倍長的隧道直徑，兩側都具備固定約束，而底部具有垂直的支撐約束，通過頂部施加荷載，以此模擬隧道自身的重力。

一般來說，巖石的抗壓/拉能力和抗剪能力都很優秀，在不同的應力下，巖石的破壞形 主要為塑性破壞閣，因此利用有限元軟件構建力學模型，并自動劃分有限元網格，采用彈塑性屈服條件，對平面應變單元進行模擬，力學模型構建參數如表2所示。其中，材料模型的彈性屈服服從Drucker-Prager法則，平面應變計算過程中，圍巖和支護材料的自重會自動增加，噴層和錨桿 通過承受地應力的釋放荷載來起作用。原始地應力的釋放比率按照位移空間曲線來確定。

表2 力學模型構建參數

彈性模量計算過程為

G=G0+(G0-G∞)e-βt

(1)

其中，G0表示短效彈性模量，G∞長效彈性模量，β表示衰減系數，t表示時間。

泊松比計算過程為

(2)

其中，ε表示載荷方向上的應變，ε1表示垂直方向上的應變。

在施工過程中，通過承受地應力釋放荷載來體現隧道支護錨桿作用。當錨桿設置完成后，再釋放剩余的地應力。假設隧道施工是具有規律性的，那么僅僅考慮空間問題，而忽略了隧道周圍巖層流變問題，容易導致隧道施工開挖過程中出現安全危險問題。

4 不同施工方法下隧道力學響應模擬分析

由于隧道巖體與支護結構一般都處于各向形變發展受約束的狀態下，即使局部巖石的應力達到屈服極限，但是其會因受帶四周巖石的約束仍保持相對穩定，并且到達其屈服極限后的變 形及漸近破壞性仍具有重要價值，這與地面結構受力破壞形式是有很大差別的。因此，模擬分析的過程中，需要根據隧道巖土結構本身的特點進行模擬分析。隧道開挖初支不同單元極值計算結果如表3所示。

表3 隧道開挖初支不同單元極值計算

主應力數值的計算過程為

(3)

其中，σx和σy分別表示x軸和y軸方向上的應力，τxy表示切線角度。

一旦隧道工程實施，那么隧道底部兩端會出現較小拉應力，對隧道中心底部造成一定壓力，但該壓力值在隧道中心所能承受范圍之內，由此說明拱部錨噴支護起到一定作用。

針對上下臺階開挖錨噴支護后，上下臺階兩邊受到的拉應力較小，但錨噴初支強度較大，此時會在上臺階底部形成大面積的壓縮帶；而下臺階開挖后，隧道底部壓應力分部較為集中。上臺階開挖后，兩端的錨桿軸力大于拱頂軸力，下臺階開挖后，錨噴力不再像原始那么大，有所減小，此時隧道拱頂和兩端錨桿所承受的力較大。

對于集中施工方式，應增設錨噴支護，不斷提高隧道周圍巖層的強度，此時同樣在拱頂出現一定壓力，而下臺階兩端出現拉應力，但影響強度較小。上臺階開挖后，錨桿軸力較小，但兩端噴層壓力較大，經過臺階開挖后，錨桿軸力為原始軸力的五倍左右，隧道拱部至底部錨桿軸力較大。

開挖第一階段，周圍巖層壓力明顯降低，右上臺階開挖后，所設的錨桿軸力與下臺階開挖后錨桿軸力大致相同，拱頂和兩端噴層壓力較大。

開挖第二階段，右上拱部錨桿所承受的軸力有所降低，新設計的錨桿軸力小于原始錨桿軸力，而底部噴層應力較大。

開挖第三階段，增設的錨桿軸力突然增大，拱頂和錨桿錨尾軸力遠遠大于錨頭的軸力，并且邊角處噴層壓力也相對較大。

分別從水平位移和垂直位移角度來看，特大斷面公路隧道力學響應數值模擬仿真研究具有一次性開挖的優勢，利用錨桿支護限制隧道周圍巖層，保證其擾動程度較小，保證數值模擬仿真具有良好模擬效果。

5 仿真研究

針對特大斷面公路隧道力學響應數值模擬仿真研究合理性，采用仿真進行驗證分析。

5.1 實驗設備

實驗設備采用某城市交通公路科學研究所成功研制的綜合實驗系統進行相似模擬實驗研究，該系統如圖2所示。

圖2 綜合實驗系統

該系統是由內外加載系統、液壓系統和數據采集處理器組成的。采用先啟動后加載的原理，利用千斤頂在模型外部加載，模擬巖土層自重力，通過內置千斤頂以及開挖體應力響應，使仿真應力狀態與原始狀態基本一致，如實反映出隧道開挖變形的特征。

該系統尺寸為1.5m×1.5m×2.5m，具備15個斷面，其中每個斷面頂端和兩處腰點均設置3個測試點。并依據測試點布置情況，設置實驗參數。

5.2 實驗參數

將隧道空斷面設置為單心圓，通過應力、彈性模量、粘聚力，計算幾何相似比。經過各組配比主要物理學參數相似比，可選定最終隧道設計配合比。

相關參數如表4所示。

表4 相關參數

5.3 實驗結果與分析

根據上述實驗內容，將傳統的模擬分析方法(文獻[7]方法)和上述方法的特大斷面公路隧道力學響應數值模擬分析結果進行對比實驗，驗證不同方法的模擬分析準確性。

繪制不同模擬分析方法下的特大斷面公路隧道應力-應變曲線，并與實際應力-應變曲線進行對比，結果如圖3所示。

圖3 不同模擬分析方法應力-應變曲線對比

分析圖3可知，與傳統模擬分析方法相比，所提的特大斷面公路隧道力學響應數值模擬方法的應力-應變曲線與之際曲線更為接近，能夠更準確的對特大斷面公路隧道的應變力進行模擬。

為進一步驗證所提的的特大斷面公路隧道力學響應數值模擬分析方法的有效性，進行多次試驗，對比不同方法的模擬效果，指標用平均模擬準確率來體現，結果如圖4所示。

圖4 不同模擬方法平均準確率對比

分析圖4可知，采用傳統方法是在實驗次數為14次時，模擬效果達到最好，平均模擬準確率約為53%；在實驗次數為2和6次時，模擬效果最差，平均模擬準確率約為21%。而采用所提方法是在實驗次數為8次時，模擬效果達到最好，平均模擬準確率約為90%；在實驗次數為12次時，模擬效果最差，平均模擬準確率為85%。由此可知，所提的特大斷面公路隧道力學響應數值模擬方法的模擬效果更好，應用優勢更強。

通過上述內容，可得出實驗結論：采用所提的特大斷面公路隧道力學響應數值模擬方法進行力學數值模擬的效果較好，最高平均模擬準確率可達到92%，最低模擬效果也可達到82%，對特大斷面公路隧道力學響應數值模擬仿真研究是具有合理性的和科學性的。

6 結束語

通過研究可知，在定量指標支持下，隨著隧道開挖過程變化關系，分析不同時期支護力學狀態，經過綜合研究得出切實可行的實施方案。在實驗設備支持下進行仿真實驗分析，并由結果可知，該方法分析效果較好。

隨著隧道內部的變化情況，在模擬分析過程中應注意以下幾個方面：

1)確定隧道開挖數目，分析周圍巖石性質以及地應力場分布形態。一旦分布形態不合理，極容易出應力集中過大現象發生。

2)定期查看錨噴支護是否能夠達到預期效果，該項目不僅取決于支護參數，還與施工方案有關；

3)采用數值模擬手段，在隧道開挖初期，就分析出主應力低、剪應力小、彎矩小、位移小的特征，依據該特征對不同方向的截面進行力學研究；

4)結合具體隧道監控資料，對特大斷面公路隧道力學響應情況，進行數值模擬分析，根據資料調整施工方案，使周圍巖層擾動足夠小，確保隧道結構穩定。