金家樓隧道施工過程的數(shù)值模擬分析

蘇子龍,孔 強

(山東省路橋集團有限公司,山東 青島 266000)

0 引言

伴隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國交通運輸業(yè)和工程項目建設的規(guī)模和數(shù)目持續(xù)提升，隧道建設展現(xiàn)出十分明顯的增長趨勢。目前，在針對隧道圍巖穩(wěn)定性的研究領域中，人們采用了許多方法進行研究，主要有理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗等方法。谷拴成等[1]利用數(shù)值模擬，基于吉祥村暗挖區(qū)間隧道工程，對臺階法和CRD法進行模擬分析，研究了兩種施工方法下的圍巖變形規(guī)律。陳云騰、孫振華[2]以陳家山隧道為研究背景，用ABAQUS軟件進行了數(shù)值模擬，并通過對各種施工條件下的開挖過程進行比較分析，深入研究了各種施工方式對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。柳越文[3]對賀州至巴馬高速公路(都安至巴馬段)弄拉隧道、伏龍隧道的錨桿布置方式進行分析，并對Ⅲ級，Ⅳ級圍巖下采用不同系統(tǒng)錨桿使用方式進行模擬計算，研究了隧道圍巖不同錨桿參數(shù)下的穩(wěn)定性。關玲[4]以重慶某高速公路為研究背景，采用ANSYS分析了臺階法和全斷面開挖法兩種開挖方式對高速公路隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，得出了臺階法比全斷面法對隧道圍巖擾動較小的結(jié)論。邵珠山等[5]以集呼高速公路隧道為研究背景，采用ABAQUS對隧道開挖進行數(shù)值模擬，并結(jié)合隧道實測數(shù)據(jù)，研究了大跨度軟巖隧道圍巖的穩(wěn)定性影響因素。王輝[6]以ABAQUS為平臺，借助Python語言編程，提出一種針對淺埋隧道埋深及坡度對圍巖穩(wěn)定性的敏感性分析方法，為淺埋隧道的設計及施工提供了一定的指導。黃明等[7]以滬昆高速公路燈草塘隧道為研究背景，采用有限差分軟件對隧道圍巖穩(wěn)定性進行了模擬研究，并提出了一些采空區(qū)空洞處置及圍巖加固措施。肖濤[8]選取拱石山隧道為研究背景，采用有限元軟件對隧道斷面進行研究，研究了不同圍巖級別下的巖體變形和空間分布規(guī)律，以及施工過程中最不利的變形和受力部位及空間分布特征。傅志超[9]將BIM模型與GIS模型進行數(shù)據(jù)融合，依據(jù)實際公路隧道建立隧道地質(zhì)模型、結(jié)構(gòu)模型、監(jiān)測點，研究了融合轉(zhuǎn)換流程及主要的融合開發(fā)思路和功能點。

1 工程概況

擬建金家樓隧道工程位于臨胸縣金家樓村東南1 000 m處，隧道左線軸線起止樁號為ZB1K104+809.5～ZB1K105+662，長852.5 m，隧道右線軸線起止樁號為K104+792～K105+605，長813 m，為雙向六車道分離式中隧道。隧址區(qū)海拔高程234 m～384 m，相對高差150 m左右，整體比較陡峭，隧道最大埋深約為120 m。

2 應用數(shù)值模擬技術(shù)的隧道應力、模擬分析

本節(jié)設計以金家樓隧道Ⅴ級圍巖段(ZB1K104+928，埋深50 m)為例，隧道開挖內(nèi)輪廓如圖1所示，圍巖巖體力學參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學參數(shù)

2.1 模型建立

取Ⅴ級圍巖襯砌段埋深50 m處隧道構(gòu)建模型，即所構(gòu)建模型埋深50 m，X方向取寬度100 m，Y方向取長度100 m，隧道居于中軸線上，邊界約束條件為：在模型左右兩側(cè)施加X方向位移約束，在模型底部邊界施加Z方向位移約束，計算模型如圖2所示。

2.2 不同施工方法及相應數(shù)值分析模型

針對金家樓隧道V級圍巖段，選擇全斷面開挖法、臺階法、CRD法三種開挖方法進行數(shù)值模擬，通過對三種開挖方法的圍巖變形情況來進行比較分析，最終得出最優(yōu)的開挖方法。

如圖3所示，全斷面開挖法工序較為簡單，即按照設計斷面，將整個隧道進行開挖；如圖4所示，本次模擬采用三臺階法進行開挖施工，將金家樓隧道斷面分為3個部分，按照從上到下的順序，依次進行分部開挖；如圖5所示，采用CRD法，將隧道斷面分為6個部分，先開挖隧道左側(cè)的1,2部分，施作部分中隔壁和橫隔板，再開挖隧道右側(cè)的3,4部分，完成橫隔板施工；然后再開挖左側(cè)的5部分，并延長中隔壁，最后開挖6部分。隧道位移云圖見圖6～圖8，隧道拱頂位移圖見圖9～圖11。

如圖6,圖9所示，為全斷面開挖法施工隧道豎向位移變化情況，隧道靠近軸線處沉降變形要明顯大于隧道兩側(cè)的沉降變形，大致為中間大、兩邊小，對稱分布，較為符合實際；如圖7,圖10所示，為臺階法施工隧道豎向位移變化情況，隧道靠近軸線處沉降變形要明顯大于隧道兩側(cè)的沉降變形，大致為中間大、兩邊小，對稱分布，較為符合實際；如圖8，圖11所示，為CRD法施工隧道豎向位移變化情況，隧道靠近軸線處沉降變形要明顯大于隧道兩側(cè)的沉降變形，大致為中間大、兩邊小，對稱分布，較為符合實際。

2.3 位移變形對比分析

拱頂沉降在隧道洞室開挖后位移變形如圖12所示，不同施工方法引起的拱頂位移沉降是不同的，但均有一定規(guī)律。從三者大致趨勢來看，其都變現(xiàn)為中間大、兩邊小，大致為對稱變形；從單個方案來看，采用全斷面開挖法，拱頂沉降值大約為48.250 mm；采用臺階法，拱頂沉降值約為16.134 mm；采用CRD法，拱頂沉降值約為16.079 mm。

初步表明采用全斷面法要比采用臺階法或CRD法隧道產(chǎn)生的變形更明顯，但從臺階法及CRD法兩種開挖方式所產(chǎn)生的位移變形來看，兩者在金家樓隧道模型中表現(xiàn)差距不大。因此，金家樓隧道Ⅴ級圍巖段采取CRD法施工是較為適合的。

2.4 結(jié)果驗證

為了驗證結(jié)論的正確性，本節(jié)利用3DEC軟件分別對全斷面法、臺階法和CRD法進行開挖模擬；針對金家樓隧道，分析三種開挖方式隧道塊體的垮塌數(shù)量，得出隧道最優(yōu)開挖方式，看結(jié)果是否與ABAQUS軟件是否一致，從而驗證結(jié)論的正確性。基于3DEC軟件的三種開挖方式隧道垮塌圖如圖13～圖15所示。

利用3DEC軟件中的FISH腳本，統(tǒng)計每種開挖方式的塊體垮塌的數(shù)量與體積。塊體垮塌數(shù)量依次為60,19,17，塊體體積依次為33.34 m3,7.377 m3,5.449 m3。從結(jié)果可以看出采用全斷面法開挖時隧道塊體垮塌數(shù)量比臺階法或CRD法多，而臺階法和CRD法兩者差別不大，綜合考慮金家樓隧道Ⅴ級圍巖段采取CRD法施工是較為適合的，與ABAQUS模擬結(jié)果相同。

3 結(jié)論與討論

本文以金家樓隧道為依托，確定了其施工方式為新奧法，然后利用ABAQUS軟件分別對全斷面法、臺階法、CRD法進行相關模擬，確定其開挖方式為CRD法，并用離散元軟件3DEC驗證了模擬結(jié)果的正確性；在建立隧道開挖模型后，通過對隧道掘進過程的模擬，可以分析出襯砌以及圍巖上的應力與位移，有助于我們預測開挖狀態(tài)、在開挖過程中應力與應變的變化并幫助我們找出可能存在的問題，同時也可以為施工提供部分理論依據(jù)及一些參考。