隧道結(jié)構(gòu)變形與受力特征的穩(wěn)定性有限元分析

黨緒平

（中鐵十二局集團第二工程有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

隨著中國市政交通設(shè)施的逐漸完善，城市軌道管理運營里程逐漸增加，在建筑施工過程中，公路隧道建設(shè)將成為城市軌道運營管理中不可或缺的一部分，然而在設(shè)計高水壓隧道結(jié)構(gòu)時，受到地質(zhì)水文因素的影響，增加了隧道的開挖難度，為施工進程帶來了施工隱患，因此對隧道結(jié)構(gòu)變形與受力特征的穩(wěn)定性分析成為當前市政施工的重點工程之一，為降低隧道結(jié)構(gòu)變形，提高受力特征的穩(wěn)定性，國內(nèi)學(xué)者進行了大量的研究。陳仁朋等[1]提出一種考慮圍護結(jié)構(gòu)變形影響的盾構(gòu)隧道橫向受力理論計算方法。楊曉華等[2]提出一種基于鋼管混凝土承載原理可快速施工的拼裝型復(fù)式支護結(jié)構(gòu)。在模型試驗的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬的方法對不同埋深及不同地層條件下復(fù)式支護結(jié)構(gòu)的承載性能進行了研究，認為復(fù)式支護結(jié)構(gòu)在稍密、中密和密實砂卵石地層中均有良好的效果，在稍密地層中相較于錨噴支護可減少51.22%的地表沉降。代樹林等[3]利用MIDAS 有限元分析軟件建立隧道數(shù)值模型，基于有限元強度折減法結(jié)合突變理論，以隧道失穩(wěn)特征點位移和塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過失穩(wěn)判據(jù)判斷偏壓隧道的穩(wěn)定性情況。汪堅等[4]對杭州某工程地上結(jié)構(gòu)與地下結(jié)構(gòu)合建段進行了研究，利用有限元分析方法探究了地上結(jié)構(gòu)施工對合建地下結(jié)構(gòu)受力變形影響，認為地上結(jié)構(gòu)施工會引起地下結(jié)構(gòu)水平位移在結(jié)構(gòu)寬度方向上呈現(xiàn)先減小、再增大、最后再減小的變化趨勢。鄭剛等[5]使用有限元程序ABAQUS 建立了精細化盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型，考慮土體滲流場、應(yīng)力場與隧道結(jié)構(gòu)的耦合相互作用，開展了滲流-應(yīng)力耦合的三維有限元數(shù)值模擬，分析了侵蝕空腔引起的隧道沉降、錯臺、張開以及管片混凝土塑性應(yīng)變等，揭示了不同侵蝕空腔發(fā)展方向引起的隧道結(jié)構(gòu)變形模式的差異，并結(jié)合侵蝕空腔引起的隧道周圍土壓力分布解釋了產(chǎn)生該差異的原因。基于此，本文以四川某市政隧道工程為例，通過利用通用軟件ANSYS11.0 建立有限元模型，對隧道的結(jié)構(gòu)變形與受力特征的穩(wěn)定性進行分析與研究，根據(jù)有限元分析的研究結(jié)果，可以有效地提供施工的安全性和穩(wěn)定性，解決因富水區(qū)帶來的施工隱患的問題，具有一定的推廣價值。

1 工程概況

本工程為四川省某高速公路隧道項目為研究對象，該項目具有一定的代表性，主要表現(xiàn)在：（1）在該項目的進口處存在貫穿洞身與附近水庫構(gòu)造裂縫帶，當水壓超過一定極限時，地下水容易滲透到隧道洞身，產(chǎn)生突水事故；（2）隧道的進口處與附近的水庫存在一條貫穿整個洞身和水庫的構(gòu)造裂縫帶，且隧道的標高為403m，洞底標高為92m，而附近水庫的蓄水位標高在490 和495m 之間，兩者相比，水庫的水壓相對較大。綜上，為確保該項目的開挖和運營的安全性和穩(wěn)定性，需要該工程的設(shè)計應(yīng)選用分離式設(shè)計，施工支護采用復(fù)合方式。

2 有限元模型建立

2.1 水壓的確認

襯砌外表面等效水壓力荷載Fl：

注漿圈外表面等效水壓力荷載Fg：

式中：r隧道襯砌半徑，單位為m。其中：rl為內(nèi)半徑，r1為外半徑，rg為隧道注漿圈半徑；P為隧道襯砌水壓，單位為MPa，Pl為背后水壓；P1為表面水壓，Pg為隧道注漿圈外表面水壓力。

襯砌背后排出的水壓力Fl為：

式中，Pl值為模型試驗結(jié)果。

2.2 工況計算

工況的計算由隧道模擬的各種參數(shù)等組合而成的7 種工況，其中，工況1 ～3 為蛋形斷面，襯砌厚度為0.8m，襯砌材料為C40，工況4 ～7 為圓形斷面，襯砌厚度為1m，襯砌材料為C30-X。如圖1 所示，通過注漿可以減小注漿圈內(nèi)圍巖的滲透系數(shù)，通過襯砌可以降低高水壓段的壓力，其作用為利用注漿圈減壓堵水[6]。

圖1 隧道整體有限元模型

圖1 注漿圈與襯砌網(wǎng)格劃分

2.3 有限元模型的建立

本文利用有限元軟件ANSYS11.0 進行模擬實驗，在進行有限元模擬計算時，可以選用平面應(yīng)變模型，圍巖單元、襯砌單元可按照彈塑性較為良好的彈塑體進行模擬，屈服準則為Drucker-Prager準則，如表2所示，根據(jù)隧道內(nèi)復(fù)雜的氣象、水文、地質(zhì)等條件，圍巖和支護結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)參數(shù)嚴格JTG/T D71-200 給出的標準列出[7]。

表1 等效水壓的工況情況

表2 材料力學(xué)參數(shù)

該有限元模型的建立以地層結(jié)構(gòu)為模型，其計算依據(jù)采用圣維南原理，如圖1 所示，在水平方向上選取樣本，在隧道的左右兩邊分別取5 倍的隧道洞徑[8]。通過以下方法模擬隧道上方覆巖層自重：（1）分別在隧道的豎直方向地層的左右兩邊取5 倍的隧道洞徑，并施加水平方向約束；（2）分別在以隧道的豎直方向為中心基準線的上、下邊界各取4 倍的隧道洞徑，在上邊界施加均勻分布的荷載，下邊界施加位移約束。

3 結(jié)果與分析

3.1 水壓

當?shù)靶螖嗝嬖谒淼酪r砌結(jié)構(gòu)中使用時，雖然水壓的有無對內(nèi)力分布的形狀影響較小，且位移情況與隧道襯砌相似，且兩者之間的最大位置趨于一致[9]，但是數(shù)值差較為明顯，由于蛋形斷面工況3 為無水壓工況，蛋形斷面工況1 為透水襯砌工況，蛋形斷面工況2 為排水系統(tǒng)工況，因此，為更好地比較有無水壓的情況，可以選擇以工況3 為基準進行研究，將工況1 和工況2 與工況3 進行比較，比較結(jié)果如圖3 所示。

圖3 否有水壓的比較結(jié)果

由圖3 可知，在水壓力的存在時，隧道的水平位移增量為33%，豎向位移增量為27%，兩者均得到不同程度的增加，最大位移失位增量增加了31%，塑性區(qū)寬度增加了0.9m。由此可見，水壓的存在對隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的影響，其中，軸力增加了69%，彎矩增加了97%，剪力增加了203%。軸力、彎矩和剪力在水壓作用下產(chǎn)生了巨大的變化，因此，水壓對三者的影響尤為巨大。

3.2 排出與滲入

如圖4 所示，在隧道的襯砌結(jié)構(gòu)中選擇使用蛋形斷面，以工況1 為基準。通過對比工況1、2 的位移、塑形、剪力、彎矩以及軸力的變化情況。同時，在隧道的襯砌結(jié)構(gòu)中選擇使用圓形斷面，以工況4 為基準，對比工況1、2 的位移、塑形、剪力、彎矩以及軸力的變化情況。

圖4 排出與滲入比較值

從圖4 可知，當水壓作用系數(shù)相同時，當具有相同水壓力作用系數(shù)，增幅相對較小，其中最大水平位移、最大豎向位移與最大塑性區(qū)應(yīng)變等的增幅僅1%。彎矩與剪力增幅為2%，而塑形增幅最大，僅有5%。因此。在襯砌背后排水系統(tǒng)排出的地下水時的各種因素的排出和滲入的作用較小，因此，可根據(jù)已知水壓作用系數(shù)，用排出和滲入的兩種情況進行計算。

3.3 斷面

斷面的比較可以以形斷面工況4 和圓形斷面工況5 為基準，分別對比蛋形斷面的工況1、圓形斷面工況4 和蛋形斷面工況1、圓形斷面工況5 的結(jié)果，該比較方式用于水通過襯砌背后排水系統(tǒng)排出時的情況，比較結(jié)果如圖5 所示。

圖5 斷面比較結(jié)果

由圖5 可知，當具有相同的隧道的水平壓力作用系數(shù)時，蛋形斷面的最大豎向位移減少了39%、隧道最大軸力減小了26%，最大位移矢量減小了22%。圓形斷面的最大豎向位移減少了38%、隧道最大軸力減小了26%，最大位移矢量減小了22%。由此可見，兩者之間的軸力和位移的最大值呈減小的趨勢發(fā)展，且減小的幅度趨于一致。圓形斷面的隧道最大剪力增量為80%、襯砌最大彎矩增量為498%、塑形應(yīng)變增量為176%、平方向的位移最大值為16%，由此可見：在水平壓力作用相同的情況下，隧道結(jié)構(gòu)受力、圍巖穩(wěn)定性在蛋形斷面中的效果更佳。

3.4 水壓分布

水壓分布比較可以以水壓相對均勻的工況4 為基準[10]，通過對比工況4 和工況7 的基本情況來說明水壓分布情況對工況的影響。如圖6 所示為水壓分布比較結(jié)果。該比較方式可以有效地說明因堵塞造成的水壓分布不均勻?qū)r情況的影響。

圖6 比較結(jié)果—水壓分布情況

由圖6 可知，最大水平位移增量為5%，最大豎向位移增量為18%，最大位移失位增量為18%，塑形應(yīng)變?yōu)?00%，最大軸力為15%，最大剪力為43，最大彎矩為443%，由此可見，水壓力分布不均勻的各種參數(shù)的最大值均比分布均勻的要大，其中彎矩、塑性應(yīng)變最為明顯，水平位移增量最小。由此可見，水壓分布是否均勻是隧道結(jié)構(gòu)受力、圍巖穩(wěn)定性影響的最大影響因素。

4 結(jié)論

（1）水壓時影響隧道的重要因素，當存在水壓時，水平與豎向位移都有所增加，且對軸力、彎矩和剪力的影響較大，其中對剪力的影響最大，增加了203%。

（2）當水壓作用系數(shù)相同時，蛋形斷面和圓形斷面擁有非常相近的減少幅度，隧道結(jié)構(gòu)受力、圍巖穩(wěn)定性在蛋形斷面中的效果更佳，且襯砌內(nèi)力、塑性應(yīng)變、隧道位移最大值增幅較小，特別是水平位移和豎向位移的增幅最小，塑性應(yīng)變增幅最大，僅有5%。

（3）當水壓力分布不均勻時，矩、塑性應(yīng)變最大值的增幅較為明顯，壓力分布是否均勻是隧道結(jié)構(gòu)受力、圍巖穩(wěn)定性影響的最大影響因素。