基于數值模擬對隧道施工過程的研究

袁海梁，鄭超杰

(1.中國化學工程重型機械化有限公司，北京 大興 102600；2.江西交苑工程檢測有限公司，江西 南昌 330013)

0 引 言

我國經濟的發展促進了各個行業的進步，新技術新科技不斷被研發及推廣。其中，隧道工程及地下工程發展最為突出，但由于我國地質構造復雜[1]，人們對隧道及地下工程的建設施工安全及風險的管理越來越重視，諸多學者紛紛開始對隧道及地下工程的施工方法進行研究。其中，L.V.Rabcewicz[2]等人基于長期的工程實踐提出了新奧法施工方案。德國學者1981年在德國慕尼黑地鐵的施工中采用了CD法進行隧道施工，這是該技術的首次應用。奚正兵[3]等人通過數值模擬軟件對隧道開挖的過程進行模擬，結果表明在相同條件下采用不同的開挖方法，地表變形、塑性區分布、地層分層沉降的規律將會因施工方法的不同而不同，最后通過模擬結果提出具體的施工技術方案。胡群芳[4]等人對大量不同地質條件進行分析研究，最后提出隨機分布概率理論，并將該理論應用到隧道的風險管理中，計算出風險發生概率。

1 隧道工程施工的力學原理及施工方法

1.1 圍巖的初始應力計算

圍巖的初始應力是指隧道在未開挖時，巖體的初始靜應力，此時的靜應力主要與巖土的物理性質、構造、重力、環境溫度及地形有關，此外還與人類活動、地殼運動因素有關。關于初始應力的如下列計算公式所示

σ=σy+σt

(1)

式中：σy為自重的應力分量,kPa；σt為地質構造的應力分量,kPa。

由于目前對地質構造的應力分量的計算較困難，對此需對巖體進行假定，即假定巖體為半無限體，只考慮重力應力。上式可以變換為式(2)。

假設取巖體H深度的某單元體

(2)

式中：σz，σy，σz分別為單元體在x，y，z三個方向的應力,kPa；γ為巖體容重,kN/m3；H為距離地表的深度,m；λ為測壓的系數。

1.2 圍巖開挖后的應力計算

因為隧道的開挖，導致初始的圍巖應力平衡狀態被打破，為達到新的平衡狀態，圍巖將發生變形及位移，稱這個變化的過程為應力重分布[5]。

圖1 開挖后圍巖應力計算的示意圖

公式如下所示

(3)

結合彈性力學理論，當不考慮圍巖的初始應力產生的位移時，對軸對稱的圍巖位移可以用下式計算。

(4)

式中：P為垂直應力,kPa;u為水平位移,m;v為豎向位移,m;r為隧道半徑,m;G表示自重,kN。

1.3 隧道施工方法介紹

隧道開挖的施工方法分類及特點具體如表1及表2所示。

表1 隧道施工方法分類及特點

表2 隧道施工方法分類及特點

2 不同施工方法的數值模擬

2.1 仿真模擬的建立

本文中采用FLAC3D有限元軟件來進行對隧道開挖采用不同的施工方法進行模擬。本模型中的本構模型采用摩爾-庫倫模型，初期支護采用shell單元，二次襯砌采用zone單元，均按各向彈性模型來進行分析，錨桿采用Cable單元，二次襯砌采用混凝土強度等級為C30。模型中的具體參數如表3所示。

表3 模型參數設置表

本次模型中隧道頂距離地表的距離為20 m，隧道模型的大小為110 m×60 m×3 m，底部施加豎直方向的約束，左右兩邊施加水平約束，頂面為自由面，對全斷面法及臺階法的施工方法進行模擬。

2.2 全斷面法模擬結果分析

對全斷面法的模型步驟為三步，第一進行巖體內部開挖計算，第二進行初期支護技術，第三進行二次襯砌施工技術。對全斷面法的模擬結果進行分析，模擬結果如圖2所示。

圖2 全斷面法位移曲線圖

從圖2可知，采用全斷面開挖隧道的方法將會使隧道的豎向位移呈現左右兩邊對稱分布，而水平的位移值則剛好相反，拱頂處的豎向下沉值約8.2 mm，并且沉降值從拱頂向兩端減小，而拱底的豎向起拱值約3.8 mm，起拱值由拱底向兩端較小，水平位移則相反，在拱底和拱頂處的水平位移約0，然后向兩側增大，最大水平值約4.0 mm，這主要是由于頂部的圍巖擠壓隧道頂部，使其下沉，然后隧道頂部向兩側傳遞荷載，使隧道兩側產生水平方向的位移，而底部則在兩端的擠壓及下部的擠壓下向上隆起。

2.3 臺階法模擬結果分析

臺階法開挖隧道是目前隧道工程中常用的方法，臺階法的模擬步驟分五步。第一步進行第一個段面的開挖計算，第二步進行上部初級支護計算，第三步進行第二個斷面開挖計算，第四步進行下部初級支護計算，第五步進行襯砌施工的計算，對臺階法的模擬結果進行分析，模擬結果如圖3所示。

圖3 臺階法位移曲線圖

從圖3中可以看出，采用臺階法開挖隧道的方法將會使隧道的豎向位移呈現左右兩邊對稱分布，而水平的位移值則剛好相反，拱頂處的豎向下沉值約7.5 mm，并且沉降值從拱頂向兩端減小，而拱底的豎向起拱值約2.8 mm，起拱值由拱底向兩端較小，水平位移則相反，在拱底和拱頂處的水平位移約0，然后向兩側增大，最大水平值約3.8 mm，這主要是由于當上臺階開挖后隧道圍巖出現較大的斷面，巖土受到擾動，導致上部圍巖失去支撐發生大量的沉降，而拱底由于還未進行開挖，所以產生隆起，當初期的支護結構施工時，洞口形成封閉形態，巖土的應力得到重新分布，而上部的圍巖進入新的平衡狀態，當下臺階進行開挖后，對隧道的影響較小。因此對于采用臺階法施工的隧道工程，應針對上臺階的開挖進行加強控制，以保證圍巖的變形得到控制。

3 結 語

本文闡述了隧道工程的施工力學原理及施工方法，并通過FLAC3D有限元軟件對采用不同施工方法抗隧道工程的施工安全進行分析研究。結果表明，隧道在開挖的過程中拱底和拱頂的豎向位移最大，而在拱腳處的水平位移最大，因此在開挖隧道時應對拱頂及拱底進行加強控制。同時從全斷面與臺階法的施工方法來看，臺階法開挖隧道對隧道圍巖的影響較小，因此在不影響工期的前提下，可以采用臺階法來施工。