隧道工程二襯安全性的數值模擬研究

郭曉龍

（湖北天堂湖國家濕地公園管理處,湖北 黃岡 438600）

1 引言

隧道工程在城市化進程中發揮著舉足輕重的作用,對此學者們也進行了大量的研究,黃健輝[1]以某高速公路隧道工程為例,通過有限元數值分析了爆破振動對隧道運營安全的影響,并提出了防控措施。臧萬軍等[2]探究地震作用下隧道動力響應規律,并建立隧道理論計算模型,研究結果表明：相同工況下解析解得到的位移曲線是有效的。付艷斌等[3]以大直徑盾構隧道管片上浮問題為例,研究大直徑盾構管片上浮影響因素,并提出了管片上浮解析式,研究結果表明：隧道管片上浮解析解的計算結果與實際相符。周揚等[4]開展了列車荷載作用下隧道動力響應的研究,采用模型試驗與數值模擬相結合的方法,對峰值加速度進行了研究,研究結果表明：超靜孔隙水壓力峰值隨著測點的遠近而變化。潘興良[5]認為大直徑泥水盾構在掘進時,易出現刀盤結泥現象,并以一實際隧道工程為例對結泥現象進行了研究,并提出了解決方案。歐峻領[6]認為如果需要提高水工隧道工程施工水平,應重點管控隧道混凝土施工環節,切實增強側墻及拱頂施工效果。劉二利等[7]以某隧道主體結構為研究對象,采用模型實驗對主體結構整體防水性能進行研究。研究結果表明：隧道主體混凝土結構及其防水工藝,在不超過4 m水深條件下是可靠的。吳桐等[8]為解決明洞偏壓問題,通過分析可知,明洞偏壓是由偏壓地形造成的,可選用反壓回填法對明洞段進行處治,處治結果表明：該方法是可行性。聶玉文等[9]針對軟弱圍巖的支護變形問題,提出鎖腳樁支護結構,此結構改善了軟弱圍巖和支護結構的應力狀態。劉維等[10]以蘇州某矩形隧道為背景,分析艙內土體分布情況,并提出地層穩定的優化模型,實踐證明：優化模型在受力方面是優于傳統模型的。

然而以上的研究并沒有分析雙拱隧道在施工過程中的受力和位移,因此本文結合某雙拱隧道工程,利用數值模擬對隧道二襯的受力和位移進行研究。

2 工程概況

某隧道工程屬于連拱隧道,隧道跨度為33 m,存在一定的偏壓,屬于短隧道,隧道最大埋深24 m,埋深小于10 m的暗洞長度占整個暗洞的比例約為36%,屬典型的淺埋隧道。

經過地質勘察,隧道區域巖土體從上至下依次為風化土、風化巖和硬巖,巖土體的物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數

3 數值模擬

3.1 模型的建立

數值模擬采用MIDAS GTS,數值模擬隧道研究區域長×寬×高為430 m×340 m×180 m,因為隧道存在一定程度的偏壓,為消除偏壓對隧道的影響,對隧道二襯用錨桿進行支護（見圖2）,本文主要研究支護后二襯的受力和位移情況。

圖1 二襯和隧道的受力示意圖

3.2 模型的屬性

數值模擬中硬巖采用的是彈性模型,風化土和風化巖采用莫爾庫侖本構模型,數值模擬中為保證計算的精確性,同時避免不必要的計算步驟,對隧道所在的風化土區域采用1 m的距離進行網格劃分,風化巖和硬巖區域采用2 m進行網格劃分,統一采用混合四面體網格進行劃分,以保證節點力傳遞的有效性。數值模擬共計462026 個節點,388012個單元,模型計算至最大不平衡力變化率小于1×10-6截止。

3.3 模擬的結果

數值模擬計算結束后,選取最有代表意義二襯的水平位移、豎向位移、X方向受力和Y軸彎矩進行說明,見圖2~圖5。

圖2 降雨強度與邊坡穩定性關系圖

圖5 長期降雨與邊坡穩定性關系圖

由圖2可知,因為先進行左邊襯砌的施工,所以總體而言左側水平位移大于右側位移,但是增幅并不明顯,左側最大水平位移是6.08 mm,此區域占整個二襯的3.1%,位于二襯左上側,右側最大水平位移是3.35 mm,對應位于二襯右上側,位移數值均不超過10 mm,在工程允許的范圍內,滿足隧道工程水平位移的要求。另一方面,隧道巖土體70%的水平位移甚至不超過4 mm,說明隧道的水平位移整體控制得較好。

由圖3可知,二襯的豎向位移主要為沉降位移,僅拱頂處出現不超過5%的隆起位移,二襯左右兩側最大隆起高度分別為17.89 mm和8.89 mm,由數值可知,左右兩側拱頂處是防治的重點,75%的豎向位移為沉降位移,主要集中于拱底處,最大數值為3.3 mm,由此數值可知隧道拱底處防護措施是合理的,完全滿足工程的豎向位移要求。二襯兩側豎向位移均不超過4 mm,說明二襯兩側的豎向位移控制得較好,不屬于支護加固的重點。

圖3 降雨類型

進一步對二襯的X方向的受力分析見圖4,二襯的最大受力主要集中于拱底處,數值達到3600 kN以上,二襯左側數值明顯大于右側,說明左側二襯施工的重點程度高于右側,另一方面可知,X方向的受力數值均不超過4000 kN,完全控制在工程允許的范圍內,滿足隧道工程的受力要求,說明二襯X方向受力控制在合理范圍內,不會對隧道工程的穩定性造成不良影響。

圖4 降雨類型與邊坡穩定性關系圖

圖4對二襯X方向的受力進行了分析,在此基礎上對二襯Y方向的彎矩進行分析,見圖5,二襯拱頂處彎矩數值最大,左右兩側Y方向的彎矩分別達到538 kN·m和289 kN·m,由以上數值可知,左側二襯拱頂處是防治的重點,此數據與二襯的豎向位移相對應,而此數值依然沒有達到隧道工程的極限值,由豎向位移數據也可反映此結論。

圖5 2460 m高程實測值及預測值對比圖

二襯拱頂處約18%彎矩超過300 kN·m,說明二襯施工時必須注意錨桿的架設,以防止錨桿架設不良,造成二襯彎矩和豎向位移過大,對隧道工程造成安全隱患。

4 結論

本文結合某隧道開挖項目,進行了數值模擬的研究,研究結果表明：

（1）數值模擬隧道工程二襯水平位移和豎向位移可知,以上兩種位移均控制在合理的范圍內,不會對工程造成不良的影響,由豎向位移可知,隧道施工中防治的重點在拱頂處。

（2）數值模擬隧道工程二襯X方向的受力和Y方向的彎矩可知,拱頂處依然是防治的重要,因此在施工中應當注意錨桿的架設,錨桿的成功架設能夠保證拱頂處受力和彎矩滿足工程安全要求。

（3）本文僅從隧道二襯的位移和受力方面,對隧道的安全評估進行了一定程度的說明,沒有從仰拱、地下水和地震角度開展研究,此方面的研究有待進一步深入。