不同混凝土厚度對軟弱圍巖隧道的影響數值模擬研究

基金項目：廣西交通職業技術學院橫向課題“巖溶地區大跨徑公路隧道安全耐久關鍵技術服務”［編號：X-GL-SHZGS（S）-GUX-TB-05-JS-013］;2023年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“巖溶缺陷對隧道穩定性的影響及處治技術研究”（編號：2023KY1171）;2022年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“白云質灰巖隧道洞渣在混凝土中的應用研究”（編號：2022KY1120）

作者簡介：楊 康（1998—），助理工程師，研究方向：橋隧施工技術研究及管理。

摘要：文章以廣西河池鳳山縣軟弱圍巖隧道為研究對象，采用有限軟數值模擬軟件研究Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級圍巖在開挖過程中改變初期支護混凝土厚度時，隧道拱頂和仰拱的豎向位移變化規律。結果表明：隧道的豎向位移與開挖進尺呈正相關關系，開挖進尺越長，隧道的豎向位移越大；圍巖彈性模量和混凝土厚度均與隧道拱頂和仰拱豎向位移呈負相關關系，圍巖彈性模量增大和混凝土厚度增加，拱頂和仰拱的豎向位移均減小。

關鍵詞：軟巖隧道；數值模擬；有限元；臺階法；圍巖變形

中圖分類號：U456.3⁺1

0 引言

在隧道開挖過程中，圍巖本身強度和穩定性決定了隧道的開挖方法和施工工藝，控制隧道圍巖沉降變形一直是國內外學者關注的重點。郝士華等^［1］用Abaqus軟件模擬隧道開挖地表沉降、拱頂沉降和凈空收斂位移場的變化規律，并將模擬結果與實測結果進行對比，發現Tie約束與分析步結合所得數值模擬結果與實測數據吻合良好，可為類似模擬提供參考。彭楊有等^［2］對比分析兩臺階開挖法、三臺階開挖法和全斷面開挖法對色季拉山隧道開挖的圍巖應力何變形的影響。結果表明：最大主應力主要集中在隧道的左拱腰以及右拱腰，全斷面開挖法為此隧道的最優開挖方法。李靜等^［3］以廣州火車站-流花路站區間隧道工程為依托，研究小凈距、大斷面雙洞雙線盾構隧道的開挖方法與施工工藝，研究發現隧道施工步序是施工的重點，合理控制小凈距隧道雙洞的開挖、支護的步距及順序，盡量減小小凈距隧道開挖對圍巖的擾動及變形，才能保障隧道施工安全。高云等^［4］運用有限元方法模擬采用臺階法、CD法和CRD法等組合開挖，分析不同工法組合開挖對圍巖的影響。結果表明：不同工法組合開挖對隧道沉降影響較大，對于復雜的雙線變斷面隧道施工，應合理布局工法組合模式，并制定合理的施工開挖順序。袁浩^［5］利用有限元軟件COMSOL研究多隧道開挖過程山體變形規律，發現圍巖變形以豎向地表沉降為主，主要在隧道上方和左右兩側，隧道軸線對稱兩側水平與豎直方向的變形規律相同。

綜上所述，國內外學者對如何控制圍巖沉降變形做了大量研究，但仍需繼續深入。本文采用數值模擬研究隧道圍巖變形與初期支護混凝土厚度的關系。

1 工程概況

該隧道位于廣西河池鳳山縣天峨至北海公路段，起點樁號為ZK76＋165，終點樁號為ZK79＋542。隧道穿越的地質主要以中風化巖為主，厚層狀構造，巖石較為堅硬，節理裂縫發育，全長3 377 m。隧道穿越地段的圍巖等級為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖，采用的主要施工方法為臺階法。

2 模型尺寸及參數設定

本模型采用PLAXIS3D有限元軟件對廣西河池鳳山縣天峨至北海公路段隧道典型區段進行模擬分析。由彈性力學的圣維南原理可知，數值計算模型的尺寸一般取3～8倍洞跨距離即可消除邊界效應^［6-7］。所以本模型建模尺寸選取為60×60×60（x×y×z）m，x為水平方向，y為隧道軸線方向，z為豎直方向，從y軸的正向進行開挖。數值模型如圖1所示。

3 圍巖與支護結構力學參數

圍巖和噴射混凝土的結構力學參數如表1所示：

4 開挖模擬方案

根據廣西某公路隧道圍巖段的地勘及設計資料，擬定圍巖隧道采用臺階法進行開挖。開挖的計算模型尺寸、邊界條件和混凝土的力學參數相同。為使數值計算模型分析簡化，圍巖材料本構模型采用摩爾-庫倫本構關系，模擬圍巖單元采用實體單元，噴射混凝土采用殼單元進行模擬。模型隧道開挖60 m，開挖進尺控制為每3 m一個循環，開挖后立即初噴混凝土進行封閉，對比分析Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖在初噴混凝土厚度分別為0.2 m、0.25 m和0.3 m時，隧道開挖過程中拱頂和仰拱的位移變化規律，并通過專業繪圖軟件origin繪制出拱頂和仰拱的位移變化規律圖，研究隧道開挖過程中混凝土厚度和圍巖等級改變對隧道拱頂和仰拱的影響。

5 計算結構分析

隧道采用臺階法進行開挖，開挖后的豎向位移云圖如圖2所示。從圖2可以看出，隧道的最大豎向位移出現在拱頂，且呈對稱性分布，為進一步分析隧道開挖進尺和混凝土厚度對隧道沉降的影響，取x＝0 m，y＝0 m，z＝-26 m處拱頂斷面節點的豎向位移計算結果，分別繪制在噴射混凝土為0.2 m時累積開挖進尺與不同圍巖等級的曲線圖，如圖3所示；以及混凝土厚度與不同圍巖等級的曲線圖，如圖4所示；取0 m，y＝0 m，z＝-35 m初仰拱斷面節點的豎向位移計算結果繪制混凝土厚度與不同圍巖等級的曲線圖，如圖5所示。

5.1 不同圍巖等級和開挖進尺對隧道拱頂豎向位移的影響

從圖3可以看出，在相同圍巖等級條件下進行開挖時，開挖進尺越長，隧道拱頂的豎向位移越大。當開挖進尺達到60 m時，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖的拱頂豎向位移均達到最大值，分別為1.182 mm、2.934 mm、3.529 mm。數據表明，在相同條件下，圍巖的彈性模量和拱頂的豎向位移呈負相關，圍巖彈性模量越大，拱頂沉降量越低。且Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖在累積開挖進尺分別達到42 m、48 m、54 m時，拱頂的豎向位移增速逐漸趨于平緩。由此可知，在相同力學參數條件下，圍巖彈性模量越大，隧道的拱頂豎向位移收斂越快。

5.2 不同圍巖等級和混凝土厚度對隧道拱頂豎向位移的影響

從圖4可以看出，在相同圍巖等級條件下進行開挖時，混凝土厚度越大，拱頂的豎向位移越小。將混凝土厚度從0.2 m提升到0.3 m，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖拱頂的豎向位移分別從1.182 mm、2.934 mm、3.529 mm降到1.178 mm、2.924 mm、3.462 mm，降幅分別為0.338%、0.375%、1.90%。從數據可以看出，圍巖彈性模量越小，拱頂的豎向位移的降低速率也越明顯。從工程實際和經濟角度出發，該模擬工況條件下的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段的混凝土厚度分別宜取0.2 m、0.25 m、0.3 m。

5.3 不同圍巖等級和混凝土厚度對隧道仰拱豎向位移的影響

從圖5可以看出，拱頂的豎向位移是向下，而仰拱的豎向位移則是向上隆起。圖5中的數據表明仰拱的隆起高度隨彈性模量的增大而減小，在混凝土厚度為0.2 m時，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖仰拱的隆起高度分別為1.223 mm、3.042 mm、3.469 mm。而隨著混凝土厚度的增大，仰拱隆起和拱頂沉降規律相似，隨混凝土厚度的增大，仰拱的隆起高度降低，降幅也越明顯，將混凝土厚度從0.2 m提升到0.3 m，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖仰拱的豎向位移分別從1.223 mm、3.042 mm、3.469 mm降到1.204 mm、2.992 mm、3.386 mm，降幅分別為1.55%、1.64%、2.39%。

6 結語

本文采用PLAXIS3D有限元軟件數值模擬方法，研究了0.2 m、0.25 m和0.3 m三種不同噴射混凝土厚度在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下對隧道圍巖拱頂和仰拱位移變化的影響，主要結論如下：

（1）在相同圍巖等級條件下進行開挖時，隧道的拱頂豎向位移與開挖進尺呈正相關關系，開挖進尺越長，隧道拱頂的豎向位移越大。

（2）在相同條件下，圍巖彈性模量和混凝土厚度均與隧道拱頂和仰拱豎向位移呈負相關關系，圍巖彈性模量越大和混凝土厚度增加，隧道拱頂和仰拱的豎向位移均減小。混凝土厚度增加，拱頂和仰拱的豎向位移降低幅度也越小。

（3）Ⅲ、Ⅳ級圍巖隨初期支護混凝土厚度的增加，隧道的拱頂和仰拱的位移變化不明顯，而Ⅴ級圍巖的拱頂和仰拱位移變化相對較大。在考慮實際工程和經濟條件下，本工況條件下的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段初期支護混凝土厚度分別宜為0.2 m、0.25 m、0.3 m。

參考文獻

［1］郝士華，王艷璐.基于Abaqus生死單元功能的地應力平衡在隧道開挖中的應用［J］.公路，2023，68（1）：432-436.

［2］彭楊有，陶 偉，央金卓瑪，等.不同開挖法對某隧道開挖的圍巖穩定性分析［J］.科技和產業，2022，22（12）：394-398.

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收稿日期：2023-04-10