張王杰

(中鐵二十局集團(tuán)， 陜西 渭南市 714000)

0 前 言

隧道施工由于其復(fù)雜的工程地質(zhì)狀況和諸多未知的因素，其安全性向來備受關(guān)注。由于隧道開挖過程難以用室內(nèi)試驗來模擬，因此，數(shù)值模擬手段成為研究隧道施工的重要方法。國內(nèi)外在對隧道施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬方面取得了豐富的成果，充分證明了數(shù)值模擬手段的有效性。王文正等人[1]采用“施加虛擬支撐力逐步釋放法”來模擬隧道開挖過程中應(yīng)力的逐步釋放，并通過ANSYS軟件完全實現(xiàn)對隧道和地下結(jié)構(gòu)等施工過程的數(shù)值模擬?；魸櫩频热薣2]模擬了隧道的動態(tài)開挖過程，分析了開挖過程中圍巖應(yīng)力和應(yīng)變的變化規(guī)律，并對施工過程中位移量較大及應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯的部位進(jìn)行了重點(diǎn)研究。彭璟等人[3]用有限元法針對三臺階和上下臺階法進(jìn)行了分析，得出了上下臺階法圍巖變形和塑性區(qū)分布比三臺階法小，三臺階法錨桿軸力、初期支護(hù)及二襯應(yīng)力則比上下臺階法小的結(jié)論。夏才初等人[4]實測了相思嶺隧道的中墻應(yīng)力，并與有限元法計算結(jié)果進(jìn)行比較，指導(dǎo)了現(xiàn)場施工。胡巖松[5]采用ANSYS軟件對隧道施工全過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。本文針對某高速公路隧道的施工過程，應(yīng)用有限元方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了隧道開挖過程中的圍巖變形狀況。

1 工程概況

本文的研究對象關(guān)虎沖隧道位于湖南省境內(nèi)的溆懷高速公路第10合同段，其左線線路里程為ZK125+090～ZK130+010，全長4918.0 m；右線線路里程為YK125+070～YK130+040，全長4970.0 m。隧道區(qū)地貌類型為中低山地貌，區(qū)內(nèi)山頂最大高程為717.8 m，最低高程150.0 m。 隧道區(qū)內(nèi)，沖溝中為沖洪積層，山坡及崗丘上為第四系殘坡積層，下伏基巖為石炭系化學(xué)巖及震旦系寒武系淺變質(zhì)巖和未變質(zhì)的化學(xué)沉積巖及少量碎屑巖。隧道穿越多座山體，沿線剝蝕、切割強(qiáng)烈，山體陡峭，沖溝呈狹長得“V”字形，沿線山頂與緊鄰沖溝高差一般為200～350 m。場地地下水主要為巖溶水和基巖裂隙水。巖溶水主要分布在石炭系白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖灰?guī)r等可溶巖分布區(qū)。隧道主要穿越III～V級圍巖，應(yīng)用新奧法原理施工，采用復(fù)合式襯砌。初期襯砌包括：拱頂和邊墻部分采用梅花形布置藥卷錨桿，單層鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土，格柵鋼拱架；二次襯砌采用模筑混凝土。

2 數(shù)值模擬分析

有限元技術(shù)作為一種應(yīng)用廣泛的科學(xué)計算方法，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程實際問題的重要手段。盡管隧道的洞型和施工工序均較為復(fù)雜，應(yīng)用有限元計算分析仍不失為一種十分理想的方法。本文采用有限元方法作為數(shù)值模擬手段，選用了桿單元模擬錨桿，二維彈性梁單元模擬支護(hù)，二維實體結(jié)構(gòu)單元模擬圍巖及開挖的土體。各材料參數(shù)見表1，計算模型見圖1和圖2。

2.1 應(yīng)力狀態(tài)的模擬

在模擬隧道施工中，初始應(yīng)力的模擬是十分重要的。本文在初始應(yīng)力模擬時，只考慮巖土體的自重應(yīng)力，忽視其構(gòu)造應(yīng)力。隧道開挖過程中，由于應(yīng)力釋放的時間效應(yīng)和施工工序的先后，地應(yīng)力的釋放是一個逐步的過程。然而，每一步操作(開挖、支護(hù))時，應(yīng)力釋放多少是很難確定的。本例按照一般經(jīng)驗，假定隧道開挖及施加初期襯砌時應(yīng)力釋放60%，施加二次襯砌時釋放完全。

表1 關(guān)虎沖隧道材料屬性表

圖1 劃分網(wǎng)格之后的有限元模型

圖2 隧道襯砌支護(hù)模型

2.2 模擬結(jié)果

隧道各施工步驟后的位移云圖見圖3～圖8。

圖3 上臺階開挖后水平方向位移云圖

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)有限元計算結(jié)果，可以得到表2～表4所示的隧道變形數(shù)據(jù)：

圖4 上臺階開挖后豎直方向位移云圖

圖5 下臺階開挖后水平方向位移云圖

圖6 下臺階開挖后豎直方向位移云圖

圖7 施作二次襯砌后水平方向位移云圖

(1) 拱頂沉降。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果，實際開挖拱頂沉降的最終值為6.37 mm，與數(shù)值模擬的結(jié)果6.17 mm比較接近。然而，考慮到地下水和構(gòu)造應(yīng)力的影響，后續(xù)使用過程中車輛振動荷載的影響以及結(jié)構(gòu)的老化，地震等不利因素的影響，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)該區(qū)的支護(hù)，以提高安全性，確保后續(xù)使用過程中不會因為這些不利因素引起的拱頂進(jìn)一步沉降而使隧道不安全。

圖8 施作二次襯砌后豎直方向位移云圖

施工步初始/mm上臺階開挖/mm下臺階開挖/mm施加二襯/mm絕對位移22.2826.6227.1228.45相對位移04.344.846.17

注：相對位移是指相對初始位移的值。

(2)周邊收斂位移。由收斂值可以看出，在開挖上臺階時，不僅沒有收斂，反而擴(kuò)張了，且根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果，最終收斂值為7.06 mm，比有限元模擬結(jié)果得出的1.20 mm要大很多。這應(yīng)該是由于本文對初始應(yīng)力的模擬上的缺陷引起的。本研究中由于沒有實際地應(yīng)力量測數(shù)據(jù)，因此，初始地應(yīng)力是只考慮自重應(yīng)力的結(jié)果，并沒計入構(gòu)造應(yīng)力。而實際上，構(gòu)造應(yīng)力，尤其是水平向的構(gòu)造應(yīng)力對隧道變形的影響是很大的。因此，在以后做數(shù)值模擬時，初始應(yīng)力的模擬應(yīng)盡量使用現(xiàn)場實際量測值。

表3 周邊收斂計算結(jié)果

注：收斂值是指圖2中的A-A測線的收斂值

(3) 仰拱隆起量。由表4可以看出，不管是上臺階開挖還是下臺階開挖，都對隧道仰拱部位(雖然仰拱還未施加)產(chǎn)生了一定的變形影響。在施加仰拱后可以計算出，相對于下臺階開挖后的位置，三個監(jiān)控點(diǎn)處的仰拱隆起量分別為：1號點(diǎn)：0.32 mm；2號點(diǎn)：0.22 mm；3號點(diǎn)：0.17 mm。這比實際監(jiān)控量測結(jié)果(分別為1.24，1.06，1.43 mm)略小，因此在施工時應(yīng)特別注意觀察仰拱的隆起狀態(tài)，并根據(jù)現(xiàn)場狀況采取相應(yīng)的防范措施。

表4 仰拱隆起量計算結(jié)果

注：監(jiān)測點(diǎn)是指圖2中的仰拱隆起監(jiān)測點(diǎn)。

3 結(jié) 論

本文針對湖南溆懷高速公路關(guān)虎沖隧道工程施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，著重分析了隧道開挖過程中的圍巖位移變形狀態(tài)，得到了每個施工步驟后的拱頂沉降、周邊收斂、以及仰拱隆起量的數(shù)據(jù)，并與后期實際監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了對比分析。分析結(jié)果表明，拱頂沉降和仰拱隆起量的模擬計算結(jié)果與實測值較接近，但是周邊收斂的數(shù)值計算結(jié)果和實測結(jié)果存在一定的差異。這主要是由于本研究中初始地應(yīng)力只考慮自重應(yīng)力，并沒有計入構(gòu)造應(yīng)力所造成的。因此，在隧道施工過程的數(shù)值模擬中，初始應(yīng)力場應(yīng)盡量采用現(xiàn)場實際量測值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王文正，夏永旭，胡慶安.公路隧道施工過程的數(shù)值模擬及ANSYS實現(xiàn)[J].西部交通科技，2007(4):1-4.

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[3]彭 璟，劉彤彤，張為民.臺階法施工隧道結(jié)構(gòu)受力性狀有限元分析[J].路基工程，2009(5):121-122.

[4]夏才初，劉金磊.相思嶺連拱隧道中墻應(yīng)力研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2000,19(z1):1115-1119.

[5]胡巖松.ANSYS模擬隧道施工過程應(yīng)用[J].山西建筑，2010,36(3):341-342.