基于MIDAS有限元法的惠龍高速紅花頂隧道施工優(yōu)化研究

劉昌盛，吳東炎

（廣東鴻高建設(shè)集團(tuán)有限公司,廣東 東莞 410076）

0 引言

近20年,隧道工程的建設(shè)無(wú)論是隧道長(zhǎng)度還是規(guī)模都在不斷刷新著世界紀(jì)錄,在科研、設(shè)計(jì)或者施工過(guò)程中遇到的技術(shù)問(wèn)題在不斷的被解決。在高速鐵路隧道的規(guī)模上,特長(zhǎng)大斷面高速鐵路隧道的建設(shè)技術(shù)也得到了解決,多年的工程實(shí)踐中也積累了大量經(jīng)驗(yàn),大量新技術(shù)、新工藝、新理念被提出和廣泛運(yùn)用,為設(shè)計(jì)隧道遇到的問(wèn)題提供了很多有效的解決辦法。從公路隧道設(shè)計(jì)理念上來(lái)看,基本上已從荷載-結(jié)構(gòu)理論轉(zhuǎn)化到了圍巖-結(jié)構(gòu)理論,設(shè)計(jì)方法上也從傳統(tǒng)的工程經(jīng)驗(yàn)為主導(dǎo),過(guò)渡到了“數(shù)值模擬分析＋經(jīng)驗(yàn)對(duì)比”法,同時(shí)更加重視安全運(yùn)營(yíng)環(huán)境與工程環(huán)境的保護(hù)；從建設(shè)工法上,鉆爆法仍然是主流,盾構(gòu)法緊隨其后,沉管法也越來(lái)越受到青睞,反之明挖法隧道越來(lái)越少；同時(shí)輔助工法如冷凍法、水平旋噴加固、管幕法等也多有應(yīng)用。鉆爆法更多地傾向于大斷面開(kāi)挖以減少多次擾動(dòng)圍巖,并發(fā)揮機(jī)械化施工的優(yōu)勢(shì)[1]。代表性的工程為秦嶺終南山隧道(鉆爆法,18.02 km）、上海長(zhǎng)江隧道（盾構(gòu)法） 、港珠澳海底隧道(沉管法）、珠海拱北隧道(管幕凍結(jié)暗挖法）。

然而,在對(duì)于公路隧道的設(shè)計(jì)與施工中,仍然會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題,這些都亟待我們?cè)诤笃诠こ汤碚搶?shí)踐以及相關(guān)的科研中予以繼續(xù)改進(jìn)與完善[2]。

惠龍高速紅花頂隧道正是利用新的技術(shù)與理念選擇合理的施工方法,然后運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行施工方法的優(yōu)化,更加保證了隧道的穩(wěn)定性與安全性。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

擬建紅花頂隧道為分離式隧道,洞室凈空（寬×高）15.59 m×8.0 m,起訖樁號(hào)左線(xiàn) ZK50+250～ZK51+346,左線(xiàn)長(zhǎng)度為 1096 m；右線(xiàn) K50+260～K51+364,長(zhǎng)度為 1104 m；對(duì)于進(jìn)出洞口標(biāo)高進(jìn)行分別設(shè)置,左線(xiàn)進(jìn)洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高為87.72 m,出洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高設(shè)置為80.32 m；右線(xiàn)進(jìn)洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高為87.57 m,出洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高設(shè)置為80.28 m。隧道左線(xiàn)最大埋深為142.95 m、隧道右線(xiàn)最大埋深為144.26 m,紅花頂隧道屬于長(zhǎng)隧道。

隧道進(jìn)出口的坡腳均可由鄉(xiāng)村道路抵達(dá),隧道周邊的交通狀況一般。

1.2 工程地質(zhì)條件

1.2.1 地理位置

擬建紅花頂隧道位于廣東省惠州市博羅縣泰美鎮(zhèn)與惠城區(qū)汝湖鎮(zhèn)交界,進(jìn)口位于博羅縣泰美鎮(zhèn)東坑村扁排嶺附近,出口位于惠城區(qū)汝湖鎮(zhèn)大良村還里附近。

1.2.2 工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

整理勘測(cè)結(jié)果,表1為工程地質(zhì)評(píng)價(jià)。

表1 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

2 基于紅花頂隧道的數(shù)值模擬

2.1 建模過(guò)程

計(jì)算參數(shù)：

圍巖級(jí)別：Ⅳ級(jí)圍巖

圍巖容重：γ=22 kN/m3

彈性抗力系數(shù)：K=400 MPa/m

二次襯砌材料：C30 混凝土,彈性模量為30 GPa

二次襯砌材料容重：γh=25 kN/m3

二次襯砌襯砌厚度：d=0.5 m

2.1.1 定義材料、屬性、幾何形狀

1）建立隧道斷面

用隧道截面命令進(jìn)行隧道截面的建立,選擇5心圓加仰拱,其中R1=8.40 m,R2=5.050 m,R3=2.00 m,R4=22 m。

2）定義材料與屬性

定義C30混凝土材料,選擇模型類(lèi)型為彈性,各向同性,彈性模量為3×107kN/m2,泊松比為0.3,容重為25 kN/m3。

定義屬性,選擇梁屬性,截面H=0.5 m,B=1 m。

2.1.2 劃分網(wǎng)格

采用分割方法生成網(wǎng)格,見(jiàn)圖1,左側(cè)板和右側(cè)板分別等分為10個(gè)網(wǎng)格,頂板等分為20個(gè)網(wǎng)格,仰拱等分為30個(gè)網(wǎng)格。

圖1 網(wǎng)格分割圖

2.1.3 設(shè)置荷載與邊界條件

1）為了分析方便,進(jìn)行單元坐標(biāo)系的修改,將單元坐標(biāo)系統(tǒng)一方向。

2）設(shè)置荷載

選擇自重選項(xiàng),設(shè)置自重。

選擇梁?jiǎn)卧奢d,設(shè)置水平土壓力與垂直土壓力。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》,Ⅳ級(jí)圍巖三車(chē)道隧道復(fù)合式襯砌二襯承擔(dān)荷載的比例取60%。

經(jīng)過(guò)折減后取值：

q土壓'=97.84 kPa, q可變'=12 kPa；

e左'=19.57 kPa, e可變左'=0；

e右'=45.97 kPa, q可變右'=0。

2.1.4 設(shè)置工況

1）根據(jù)荷載組合系數(shù)表設(shè)置2種工況,見(jiàn)表2,建立荷載組合：構(gòu)件變形計(jì)算、基本組合構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算,為了與前文計(jì)算做對(duì)比分析,下文主要分析構(gòu)件變形計(jì)算荷載組合。

表2 荷載組合

2）設(shè)置邊界條件

Ⅳ級(jí)圍巖,中風(fēng)化砂巖,取地基反力系數(shù)為2×104kN/m3建立曲面彈簧邊界條件。為了計(jì)算更加準(zhǔn)確,將頂點(diǎn)添加橫向x的約束。

2.2 結(jié)果分析

圖2 X方向位移圖

圖3 Y方向位移圖

由圖可知,隧道斷面在X方向最大位移出現(xiàn)在兩側(cè)為18 mm；隧道斷面在Y方向最大位移出現(xiàn)在拱頂,為61 mm,符合實(shí)際情況。

由圖4、圖6,對(duì)比之前手動(dòng)計(jì)算襯砌內(nèi)力,其中手算襯砌軸力最大值存在于邊墻與仰拱部分交界區(qū)域,為1479.56 kN,Midas建模分析得襯砌軸力最大值也存在于邊墻與仰拱部分交界區(qū)域,為1488.17 kN,與手算基本一致,可以互相驗(yàn)證；手算襯砌最大正彎矩在邊墻部分,為282.731 kN·m,最大負(fù)彎矩在邊墻與仰拱部分交界區(qū)域,為-1318.45 kN·m,而通過(guò)Midas建模分析得最大正彎矩在拱頂,為648.77 kN·m,最大負(fù)彎矩在邊墻部分,為653.92 kN·m,最大正彎矩與最大負(fù)彎矩分布位置與手算部分差別,推斷可能與建模過(guò)程的簡(jiǎn)化與參數(shù)取值的誤差有關(guān),但數(shù)量級(jí)和分布趨勢(shì)基本一致,具有參考價(jià)值。

圖4 軸力圖

圖6 彎矩圖

經(jīng)過(guò)Midas分析,如圖5 所示,剪力集中部分在仰拱左右端部,為432.11 kN,因此施工時(shí)應(yīng)注意仰拱與邊墻的連接,防止因?yàn)榧袅^(guò)大而發(fā)生破壞。

圖5 剪力圖

2.3 Ⅳ級(jí)圍巖施工優(yōu)化

設(shè)計(jì)基于大型有限元仿真軟件 MIDAS /GTS,對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖全斷面法與臺(tái)階法兩種施工工法分別建立二維施工模型,分析兩種施工方法,設(shè)置施工階段,運(yùn)行程序,對(duì)紅花頂隧道的工法優(yōu)化進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.3.1 全斷面法與臺(tái)階法對(duì)比

1）模型建立

如圖7,其中左圖為全斷面法施工模型,右圖為臺(tái)階法施工模型,利用平面單元對(duì)圍巖和二襯進(jìn)行模擬,利用梁?jiǎn)卧獙?duì)初次支護(hù)（噴射混凝土）進(jìn)行模擬,利用植入式桁架對(duì)錨桿進(jìn)行模擬,模型采用庫(kù)倫-摩爾本構(gòu)模型。

圖7 建立施工模型

根據(jù)惠龍高速紅花頂隧道地勘資料和相關(guān)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范,整理模型參數(shù),其中隧道截面埋深為71 m；噴射混凝土作為初次支護(hù),為C25 混凝土,拱部以及邊墻噴混厚度設(shè)置為23 cm,仰拱噴混厚度設(shè)置為10 cm；二次襯砌為C30 混凝土,厚度為50 cm；錨桿為HRB400,直徑為0.022 m。

2）圍巖變形

如圖8～圖11,分別為全斷面開(kāi)挖和臺(tái)階法開(kāi)挖總位移和豎向位移云圖。

圖8 全斷面法圍巖總位移云圖

圖11 臺(tái)階法Y方向位移云圖

①總位移

②Y方向位移

圖10 全斷面法Y方向位移云圖

將拱頂位移、水平收斂最大值進(jìn)行整理,見(jiàn)表3。對(duì)比可知,無(wú)論是拱頂下沉還是水平收斂數(shù)據(jù),臺(tái)階法開(kāi)挖都比全斷面法位移小,源于臺(tái)階法將隧道斷面分為兩部分先后開(kāi)挖,開(kāi)挖后圍巖相對(duì)更加穩(wěn)定,支護(hù)更加及時(shí),為了保證施工的安全性,初步擬定開(kāi)挖工法為臺(tái)階法。

表3 拱頂位移與水平收斂數(shù)據(jù)

3）初次支護(hù)（噴射混凝土）受力情況

如圖12、圖13,分別為全斷面開(kāi)挖和臺(tái)階法初次支護(hù)所受軸力。

圖12 全斷面法初次支護(hù)軸力圖

圖13 臺(tái)階法初次支護(hù)軸力圖

將軸力與剪力最大值以及出現(xiàn)位置進(jìn)行整理,見(jiàn)表4。由對(duì)比可知,由于一次性開(kāi)挖面大,全斷面法軸力的最大值更大,出現(xiàn)在邊墻與仰拱交界處；而臺(tái)階法軸力最大值出現(xiàn)在上下臺(tái)階交界處,在施工中可以針對(duì)交界處進(jìn)行有效加固。為了保證施工的安全性,選定紅花頂隧道Ⅳ級(jí)圍巖開(kāi)挖工法為臺(tái)階法。

表4 軸力最大值及位置

2.4 臺(tái)階法施工優(yōu)化

通過(guò)改變支護(hù)參數(shù)（即錨桿的布置以及噴射混凝土的厚度）,使在保證允許位移變化范圍內(nèi),獲得最優(yōu)支護(hù)方案,根據(jù)規(guī)范,設(shè)置拱頂最大允許下沉位移為10 mm,水平收斂最大值為12 mm。

運(yùn)行程序,如表5,得到各個(gè)方案的拱頂下沉值和水平收斂。

表5 各個(gè)方案拱頂下沉與水平收斂

通過(guò)對(duì)比可以顯示,隨著錨桿數(shù)量的減少和噴射混凝土厚度的降低,拱頂下沉值與水平收斂都表現(xiàn)一定程度的增大趨勢(shì)。其中,四個(gè)方案都在允許位移范圍內(nèi),為了在保證施工安全的前提下,節(jié)省開(kāi)支,雖然方案4 的位移最大,但是花費(fèi)材料最少,最經(jīng)濟(jì),選擇方案四為最終支護(hù)方案,

3 結(jié)論

本文以紅花頂隧道為研究對(duì)象,先確定施工方法為新奧法,之后確定開(kāi)挖方法采用臺(tái)階法。為了使得隧道更具安全性和經(jīng)濟(jì)性,最后使用數(shù)值模擬技術(shù)驗(yàn)證之前選擇的方法以及進(jìn)行施工方法的優(yōu)化。

1）隨著錨桿數(shù)量減少,噴射混凝土厚度降低,拱頂下沉值與水平收斂值都在增加,最后綜合安全與經(jīng)濟(jì)的考慮,選用13 根錨桿,拱頂及邊墻噴射21 cm厚混凝土,仰拱噴射10 cm 厚混凝土。

2）臺(tái)階法軸力最大值出現(xiàn)在上下臺(tái)階交界處,在施工中可以針對(duì)交界處進(jìn)行有效加固。