隧洞開挖施工的數(shù)值模擬研究

王 斌，曹凌敏

(山東省濟(jì)寧市水利事業(yè)發(fā)展中心，山東 濟(jì)寧 272000)

0 引 言

隨著我國西部大開發(fā)和絲綢之路的開展，越來越多的隧洞工程應(yīng)運(yùn)而生，對此學(xué)者們針對隧洞工程進(jìn)行了大量的研究。安永林等依托珠海某隧洞工程，研究了2種不同的施工工序?qū)λ矶吹挠绊?，研究結(jié)果表明：不同的施工工序條件下，隧洞危險(xiǎn)區(qū)不同，應(yīng)當(dāng)合理選擇施工工序，以保證隧洞的施工安全。葉逢春等利用數(shù)值模擬對盾構(gòu)隧洞施工的安全性，進(jìn)行了評估，評估結(jié)果表明：隧洞的變形若控制在合理范圍內(nèi)，隧洞的安全性能夠得到保證。吳悅等通過數(shù)值模擬對可液化地層的隧洞進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：襯砌厚度越小，襯砌的上浮位移越小，同時(shí)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)交界處的襯砌接頭。陳春玲等利用FLAC3D對不同直徑、距離條件下的隧道圍巖，進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明：拱頂沉降與溶洞范圍呈現(xiàn)線性規(guī)律。張君寶等利用數(shù)值模擬軟件，模擬全斷面法、CRD法和三臺(tái)階法，對隧洞圍巖的影響，研究結(jié)果表明：三臺(tái)階開挖法為隧洞標(biāo)準(zhǔn)段的最優(yōu)開挖工法。李順群等利用數(shù)值模擬，研究了基坑開挖對隧洞變形的影響，研究結(jié)果表明：基坑開挖對隧洞變形的影響在可控范圍內(nèi)，滿足工程穩(wěn)定性要求。邵珠山等利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對小凈距隧洞的合理錯(cuò)距進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：在黃土地區(qū)掌子面的錯(cuò)距可縮減至30m，以此保證施工安全。李曉菡等利用MIDAS-NX軟件對既有地鐵隧洞施工進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：路基回填高度應(yīng)當(dāng)控制在0.5-1.57m范圍內(nèi)，可滿足隧洞施工的要求。左廣洲結(jié)合隧洞運(yùn)營過程中排水問題，提出了復(fù)合排水技術(shù)，并通過數(shù)值模擬對此技術(shù)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：復(fù)合排水技術(shù)能夠解決隧洞運(yùn)營排水問題，且此技術(shù)還有待進(jìn)一步優(yōu)化完善。翟永勇等利用數(shù)值模擬軟件，研究深基坑施工對臨近隧洞的內(nèi)力和變形的影響，研究結(jié)果表明：嚴(yán)格按照基坑施工章程，可保證基坑施工不對臨近隧洞造成不良影響[1-7]。

以上的研究并沒有考慮開挖對隧洞周圍巖土體位移的影響，也沒有考慮隧洞二襯受力的影響，因此文章結(jié)合一實(shí)際隧洞工程，首先對隧洞周圍巖土體進(jìn)行地勘調(diào)查，其次利用MIDAS GTS數(shù)值模擬軟件對隧洞開挖進(jìn)行全過程的模擬還原，最后通過模擬結(jié)果對隧洞開挖的影響和效果進(jìn)行評估。

1 工程概況

隧洞位于我國東北地區(qū)，經(jīng)過地勘調(diào)查可知，此隧洞位于河道一側(cè)，隧洞周圍從上至下巖土體分別為泥灰層風(fēng)化土、泥灰層和灰層(圖1)，隧址區(qū)地面高程520-1020m，相對高差最大約562m，隧洞埋深180-550m(圖2)，巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 隧洞二維立面圖(單位：m)

圖2 隧洞隧址

表1 巖土體力學(xué)性質(zhì)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

利用MIDAS GTS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行隧洞開挖的數(shù)值模擬研究，經(jīng)過試算選擇隧洞的寬×高為92m×69m，試算結(jié)果表明，超過此邊界1m，隧洞應(yīng)力和應(yīng)變不超過0.01%，因此可認(rèn)為此邊界的選擇是合理的。

隧洞采用CD法進(jìn)行開挖，隧洞拱頂左右兩邊分別采用4根和7根錨桿進(jìn)行支護(hù)。

圖3 數(shù)值模擬平面圖

選擇二維平面對隧洞開挖進(jìn)行研究，初支混凝土為彈性材料，彈性模量為2.1×104MPa，容重為24.5 kN/m3，泊松比為0.21；二襯混凝土為彈性材料，彈性模量為3.2×104MPa，容重為25.6 kN/m3，泊松比為0.19；錨桿為彈性材料，彈性模量為2.2×105MPa，容重為78.6 kN/m3，泊松比為0.16。風(fēng)化土、泥灰層和灰層選擇實(shí)體單位，錨桿選擇植入式桁架，內(nèi)支撐選擇板單元。

數(shù)值模擬共計(jì)5942個(gè)單元、3202個(gè)節(jié)點(diǎn)，數(shù)值模擬計(jì)算至隧洞穩(wěn)定時(shí)停止。

3.2 模型的計(jì)算

第一階段建立泥灰風(fēng)化土層、泥灰層和灰層，并根據(jù)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值，設(shè)置邊界自動(dòng)約束，最后對巖土體進(jìn)行清零。第二階段為開挖階段，按照CD施工法的次序，將隧洞部分巖體進(jìn)行鈍化，同時(shí)在鈍化區(qū)域添加錨桿、初支混凝土或二襯混凝土。第三階段依次將二襯混凝土進(jìn)行賦值。經(jīng)過以上三個(gè)階段后，方可對隧洞模型進(jìn)行計(jì)算[8]。

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 變形分析

隧洞整體位移和豎向位移如圖4和圖5所示。

圖4 隧洞整體位移(單位：m)

如圖5所示，隧洞的整體位移61.7%幾乎位移為0，接近30%巖土體的位移集中于隧洞開挖部位，最大位移位于拱頂處，此位移也不超過1mm，且所占隧洞比率也不超過4%，以上說明隧洞開挖，并沒有對周圍巖土體的位移造成較大的影響。

如圖6所示，隧洞的豎向位移53.7%幾乎位移為0，接近25%巖土體的豎向位移集中于隧洞開挖部位，最大位移位于拱頂和拱腳處，此位移也不超過1mm，且所占隧洞比率也不超過5%，以上說明隧洞開挖后，也沒有對周圍巖土體的豎向位移造成較大的影響。

圖6 二襯所受的彎矩(單位：kN·m)

圖5和圖6可知，隧洞開挖的整體位移和豎向位移均控制1mm范圍以內(nèi)，沒有對周圍巖土體造成不良影響，滿足隧洞工程穩(wěn)定性要求，同時(shí)隧洞拱腳處因?yàn)槲灰戚^大，屬于施工和管理的重點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)加以重視。

3.3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

襯砌所受的彎矩如圖6所示。

由圖6可知二襯所受的彎矩最大處位于拱腳處，繼而便是接近拱腳處，數(shù)值最大為88 kN.m，此區(qū)域僅占整個(gè)二襯的2.5%，彎矩受力較大處位于拱底，即仰拱處，由此可知仰拱所受彎矩最為明顯，應(yīng)當(dāng)被考慮成防護(hù)的重點(diǎn)。拱頂處所受彎矩不超過57 kN.m，滿足工程穩(wěn)定性的要求。

3.3.3 數(shù)值模擬總結(jié)

1)隧洞的整體位移和豎向位移均控制在合理范圍內(nèi)，說明隧洞的開挖施工是合理的，并沒有對周圍巖土體的位移造成不良影響。

2)二襯所受彎矩主要集中于仰拱處，拱頂所受彎矩較小，且受力較均勻。

由以上2點(diǎn)可知，隧洞開挖施工是合理的，滿足工程穩(wěn)定性的要求。

4 結(jié) 論

利用MIDAS數(shù)值模擬技術(shù)，對四川省巴中市某隧洞開挖進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

1)隧洞整體位移和豎向位移均控制在合理范圍內(nèi)，不會(huì)對周圍巖土體的位移造成不良影響。

2)隧洞二襯彎矩仰拱處最大，但是均不超過工程允許的數(shù)值，拱頂處彎矩較小且受力較均勻，未出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

3)研究隧洞斷面屬于常規(guī)斷面，沒有對隧洞的特殊斷面進(jìn)行研究，因此此部分的研究有待進(jìn)一步深入。