基于ABAQUS的臨臨高速二狼山隧道初期支護數值分析

游錄昌，李 濤

（山東省路橋集團有限公司,山東 濟南 250014）

1 引言

多年來,隨著我國經濟的蓬勃發展,我國的高速公路的建設日新月異。由于山嶺區地質條件多變,導致公路隧道工程施工技術復雜、施工工序繁多。總體而言,我國公路隧道建設發展速度迅猛,但起步較晚,經驗不足,因此我國公路隧道設計與施工水平還有待提高。

很多學者對隧道計算模型的研究和應用做了大量工作。尹蓉蓉[1]通過考慮應力拱效應從而建立一種新的荷載-結構法計算模型,改善了荷載結構法模型模擬結果偏離實際的問題；劉海京等[2]基于地層結構法建立了包含縱向裂縫的隧道計算模型,并對含有裂縫的襯砌結構進了安全性評價。這些研究對隧道計算的準確性提供了理論依據,并為隧道初期支護的方法選擇奠定了基礎,但是對于隧道初期支護參數的優化還需要進一步的研究。

本文以二狼山公路隧道開挖支護為研究對象,利用ABAQUS有限元分析[3]軟件,通過數值模擬分析該隧道Ⅴ級圍巖段在兩種不同支護方案下的拱頂下沉、水平收斂等圍巖變形特性,并基于模擬結果,判斷最優的錨桿間距和鋼拱架間距方案,以達到在考慮施工安全及支護成本的前提下對該隧道初期支護參數進行優化的目的。通過分析數值模擬結果,也可判斷在開挖過程中的不利位置,以便在進行隧道設計和施工時加以監測和預防。

2 依托工程概況

臨淄至臨沂高速公路工程LLKCSJ-1標段二狼山隧道工程位于淄博市博山區池上鎮趙莊村西南側約500 m處,該隧道為分離式隧道,隧道左線軸線起止樁號為ZK72+688～ZK73+190,長502.0 m,隧道右線軸線起止樁號為K72+695～K73+170,長475.0 m,擬建隧道屬雙向六車道中隧道。隧道選址區水文地質條件比較簡單,海拔高程366.1524.1 m,相對高差約158 m,最大埋深約96.0 m,整體較陡；隧道選址區揭露和出露地層都是第四系殘坡積層以及混合巖花崗片麻巖地層。二狼山隧道Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級圍巖段分布長度分別為235 m、465 m、267 m。

3 初期支護體系設計

我國隧道施工方法主要有TMB法、新奧法和盾構法等,在地層情況較為復雜多變、隧道結構形式復雜等情況下,新奧法相對于盾構、TMB法來說經濟性較好,在我國長期被廣泛應用。本區間隧道采用新奧法進行施工,充分發揮圍巖的自承能力,最大程度減少對圍巖的擾動。開挖后,以噴射混凝土、錨桿、鋼筋網以及鋼拱架作為初期支護手段,具體的開挖、支護順序見圖1。

圖1 臺階法開挖、支護步驟示意圖

初期支護的施工應在爆破、安全檢查及量測、出渣等工作完成后進行。施工過程按照如下步驟進行：

（1）初噴C25混凝土,初噴厚度Ⅴ級圍巖段取130 mm；Ⅳ級圍巖段取120 mm；Ⅲ級圍巖段取80 mm。

（2）安裝鋼筋網,Ⅴ級圍巖段取200 mm×200 mm；Ⅳ級圍巖段取220 mm×220 mm；Ⅲ級圍巖段取250 mm×250 mm。

（3）安裝鋼拱架,沿隧道縱向間距Ⅴ級圍巖段取60 cm；Ⅳ級圍巖段取100 cm。

（4）打錨桿孔,安裝錨桿,安裝順序為先頂后幫。其中Ⅴ級圍巖段錨桿長度取4.0 m,縱向間距取0.8 m；Ⅳ級圍巖段錨桿長度取3.8 m,縱向間距取0.9 m；Ⅲ級圍巖段錨桿長度取3.0 m,縱向間距取1.2 m。

（5）復噴C25 混凝土,復噴厚度Ⅴ級圍巖段取150 mm；Ⅳ級圍巖段取130 mm；Ⅲ級圍巖段取70 mm。

4 隧道初期支護參數優化分析

4.1 模型參數的選取

本專題以洞口Ⅴ級圍巖淺埋段（K72+695,埋深20 m）為例,二狼山單洞三車道隧道結構設計的參數如下：錨桿采用Φ25 mm中空注漿錨桿,長度為4 m,環向間距為1.2 m,縱向間距為0.8 m；鋼拱架型號為I20 b,間距0.6 m；噴射混凝土采用C25混凝土,厚度為280 mm,內置250 mm×250 mm鋼筋網；二次襯砌為模筑混凝土結構,厚50 cm。圍巖巖體物理力學參數見表1。

表1 巖體物理力學參數

4.2 建立有限元模型

根據圣維南原理,隧道開挖以后洞室周唯巖體發生應力重分布,從而對隧道開挖洞室周圍一定范圍內產生影響,對于距離洞室比較遠的圍巖影響可忽略不計,故本專題設計建立的模型邊界處的位移為零,根據規定[4],隧道數值模型水平、豎直方向尺寸一般取3～5倍洞跨距離,因此建立模型整體尺寸為100 m×60 m×30 m,除上邊界以外,其他邊界均設置法向約束,下邊界除法向約束外其他兩個方向均設置約束。本專題圍巖部分選用摩爾庫倫本構模型,襯砌部分選用彈性體,運用生死單元法,一個循環進尺為3 m,對隧道分成十次進行全斷面開挖,初期支護參數見表2,隧道模型網格見圖2。

表2 支護結構力學參數

圖2 隧道模型網格

4.3 支護參數優化

第一種優化思路保持錨桿長度和混凝土厚度不變,改變錨桿間距和鋼拱架間距；第二種優化思路保持錨桿長度、錨桿間距和鋼拱架間距不變,改變混凝土厚度。針對這兩種思路,給出了以下五種方案,包括優化前（方案1）和優化后（方案2～方案5）,具體支護參數優化表見表3。方便起見,將鋼拱架和噴射混凝土的力學參數根據面積占比取一個平均數,鋼拱架和噴射混凝土組成的襯砌模型網格見圖3。

表3 五種方案對應的支護參數

圖3 鋼拱架及噴射混凝土混合支護圖

4.4 圍巖變形位移

（1）思路一

在該研究斷面上提取優化前和優化后的相同特征監測點,比較方案1和方案2的拱頂下沉、周邊收斂和錨桿的位移量,分別得到兩種方案下的襯砌位移矢量云圖和錨桿位移矢量云圖,見圖4～圖7。

圖4 方案1襯砌位移矢量云圖

圖6 方案1錨桿位移矢量云圖

圖7 方案2錨桿位移矢量云圖

由圖5～圖8可知：同一初期支護斷面上,支護參數經過優化后,相比優化前,同一位置處的位移（拱頂下沉、周邊收斂、錨桿位移）變化雖然不明顯,但都有不同程度的增大。

圖5 方案2襯砌位移矢量云圖

（2）思路二

同樣的,在該研究斷面上提取優化前和優化后的相同特征監測點,比較方案1和方案3～方案5的拱頂下沉和周邊收斂的位移量,改變襯砌厚度,得到方案3～方案5下的襯砌位移矢量云圖,見圖8～圖10。

圖8 方案3襯砌位移矢量云圖

圖9 方案4襯砌位移矢量云圖

圖10 方案5襯砌位移矢量云圖

由圖可知：同一初期支護斷面上,支護參數經過優化,及襯砌厚度逐漸減小后,相比優化前,同一位置處的拱頂下沉、周邊收斂都有不同程度的增大,增幅同支護參數優化的強弱密切相關。

4.5 結果分析

從數值模擬結果來看,隧道開挖前周圍巖體在自重應力作用下,位移的數量級非常小,故模型的建立比較成功,圍巖初始狀態位移矢量云圖見圖11。隧道開挖完成后,模型邊緣處矢量位移很小,可以忽略不計,說明隧道模型尺寸合理,很好地避免了邊界效應,隧道開挖后在襯砌作用下圍巖位移矢量云圖及剖面圖見圖12和圖13。

圖11 圍巖初始狀態位移矢量云圖

圖12 圍巖位移矢量云圖

圖13 圍巖位移矢量云圖剖面圖

綜上分析,支護參數經過優化后,雖然初期支護及圍巖變形位移比優化前有所增大,但變形都在可控范圍內,符合相關規范要求,且支護材料的支護能力得到了更加高效的發揮。在確保施工安全的同時,可節約工程造價。因此,二狼山單洞三車道公路隧道初期支護的優化方案可行。

5 結論與討論

本文依托二狼山隧道的工程概況,并基于數值模擬對該隧道的初期支護參數進行了優化。優化過程提供了兩種思路并給了五種方案,最后綜合結果分析,優化后雖然初期支護及圍巖變形位移比優化前有所增大,但變形都在可控范圍內,符合相關規范要求,且支護材料的支護能力得到了更加高效的發揮。在保證施工安全的同時,更好地節約了成本,使工程更加經濟合理。

1）從數值模擬結果來看,隧道開挖前周圍巖體在自重應力作用下,位移的數量級非常小,故模型的建立比較成功。

2）隧道開挖完成后,模型邊緣處呈深藍色,即矢量位移很小,可以忽略不計,說明隧道模型尺寸合理,很好地避免了邊界效應。