基于數(shù)值模擬分析的隧道開挖與支護(hù)方案優(yōu)化研究

龐俊田

（中鐵十九局集團(tuán) 第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136）

關(guān)于隧道開挖變形方面的研究，主要集中在如下幾個(gè)方面，如隧道開挖過程中周圍土體變形量大小、隧道開挖對周圍建筑體的影響情況、隧道開挖支護(hù)方案的選取、支護(hù)效果及后續(xù)變形監(jiān)測等[1-3]。李志南,秦國強(qiáng)[4-5]利用FLAC3D 模擬得出了侏羅系軟巖中最佳的隧洞開挖方式為上下臺階法；對于隧道開挖變形的研究主要包括了定性分析、數(shù)值模擬研究及實(shí)測等不同類型。本文以廟子塆隧道工程為例，使用MIDAS 軟件對該隧道開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并確定數(shù)值模擬過程中網(wǎng)格單元選取對模型的影響，分別從襯砌材料選擇以及襯砌材料支護(hù)厚度等角度分析得出最優(yōu)支護(hù)方案，并為其它項(xiàng)目提供參考借鑒。

1 項(xiàng)目概況

擬建的廟子塆隧道為格巧高速公路施工圖工程設(shè)計(jì)的一座分離式隧道，擬建隧道呈弧線形展布，電光照明、機(jī)械通風(fēng)；該隧道總體軸線方向約345°，左線隧道起訖樁號ZK60+350～ZK61+700，全長1350m，隧道最大埋深約160m，位于ZK61+030 處；右線隧道起訖樁號K60+360～K61+760，全長1400m，隧道最大埋深約165m，位于K61+050 處。進(jìn)口左右線間距13.37m,出口左右線間距23.2m。該隧道區(qū)屬中、低山地貌區(qū)，地形起伏大。隧道范圍內(nèi)中線高程1070m～1200m，最大高差約130m。山體自然坡度15°～35°，植被不甚發(fā)育。

2 隧道開挖模型確定

2.1 模型建立

本工程基于MIDAS GTS NX 分析軟件建立實(shí)際工程的簡化模型，該軟件界面簡潔精煉，具有強(qiáng)大的建模及后期分析功能，豐富的巖土材料本構(gòu)模型，能滿足本次工程的需求。本文選取隧道洞身穿越高中山區(qū)，根據(jù)隧道施工技術(shù)方案以及地質(zhì)勘察資料，對隧道建立了1：1 的三維仿真模型，在開挖范圍內(nèi)，根據(jù)圣維南原理擴(kuò)展圍巖尺寸后，建立三維地形模型如圖1 所示。隧道模型尺寸為150×50m，網(wǎng)格劃分采用四面體單元進(jìn)行劃分，共有1791 個(gè)單元，1846 個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)；后續(xù)襯砌模擬是采用結(jié)構(gòu)單元Shell 模擬隧道襯砌。

圖1 隧道模型圖

2.2 計(jì)算參數(shù)及邊界條件確定

在模擬過程中選擇的本構(gòu)模型為庫倫-莫爾模型，根據(jù)鉆孔揭露信息及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定土層參數(shù)見表1 所示。在模擬過程中，對模型底面設(shè)置為Z 軸豎直方向位移約束邊界，對模型前后設(shè)置Y 軸方向約束，對模型左右設(shè)置X 軸方向約束，并在初始條件下，只在重力作用下首先達(dá)到平衡。

表1 土層參數(shù)取值表

2.3 不同網(wǎng)格密度的影響

為了獲得最優(yōu)網(wǎng)格計(jì)算密度，并為后期模擬計(jì)算提供基礎(chǔ)依據(jù)，達(dá)到最優(yōu)模擬的目的，分別選擇網(wǎng)格密度為1m、2m 作為研究對象。本次模擬分為三個(gè)階段，第一階段為初始地應(yīng)力平衡，即模擬過程中假設(shè)土層+隧道，只受到重力作用的影響，同時(shí)對模型邊界進(jìn)行約束；在進(jìn)行了初始地應(yīng)力計(jì)算后；直接進(jìn)行位移清零，并進(jìn)行下一步隧道開挖及支護(hù)模擬，支護(hù)材料均選擇C30 混凝土噴射支護(hù)。模擬過程保持其余條件均不變，只改變不同的網(wǎng)格密度進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，模擬結(jié)果如圖2、圖3 所示。

圖2 網(wǎng)格密度1m 下隧道開挖位移云圖

圖3 網(wǎng)格密度2m 下隧道開挖位移云圖

由圖2、圖3 可知，隨著網(wǎng)格密度的增大，隧道開挖位移變化不大，但仍有區(qū)別，網(wǎng)格密度越小，雖然計(jì)算時(shí)間變長了，但計(jì)算的精度也變大，位移變化量也變大。其原因是：網(wǎng)格越密，節(jié)點(diǎn)越多，各個(gè)土體單元間力的傳導(dǎo)以及應(yīng)力變化也越流暢，越容易得到更接近實(shí)際的結(jié)果。當(dāng)然，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)也不是越密越好的，當(dāng)網(wǎng)格密度越密時(shí)，模型本身的計(jì)算也越復(fù)雜。三種網(wǎng)格密度下計(jì)算總時(shí)長均控制在30 分鐘內(nèi)，均在可接受范圍內(nèi)，故針對本隧道工程，選取網(wǎng)格密度為1m時(shí)，能得到最接近實(shí)際的效果。

3 隧道開挖支護(hù)方案優(yōu)化對比

以廟子塆隧道為例，分析在注漿襯砌混凝土強(qiáng)度為C25、C30、C35 以及厚度為0.2m、0.3m、0.4m 下的支護(hù)效果對比，尋求隧道最優(yōu)支護(hù)條件。

3.1 襯砌材料對支護(hù)的影響

為了獲得本項(xiàng)目工程最優(yōu)襯砌支護(hù)材料，模擬過程依次選取C25、C30、C35 強(qiáng)度的混凝土作為變量，具體數(shù)值見表2 所示，計(jì)算結(jié)果如圖4～圖6 所示。

圖4 C25 襯砌支護(hù)下隧道開挖位移云圖

圖5 C30 襯砌支護(hù)下隧道開挖位移云圖

圖6 C35 襯砌支護(hù)下隧道開挖位移云圖

表2 混凝土強(qiáng)度參數(shù)取值表

由圖4～圖6 可知，C35 混凝土的支護(hù)效果最佳，C25 混凝土的支護(hù)效果最差，但把經(jīng)濟(jì)成本以及實(shí)際支護(hù)效果納入考慮范圍后，隨著混凝土強(qiáng)度的增加，支護(hù)效果的影響要小得多。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級從C30大到到C35，最大沉降僅減小了0.88%左右，支護(hù)優(yōu)化效果已不是很明顯，本工程項(xiàng)目選擇C30 混凝土材料相對是綜合最優(yōu)支護(hù)材料。

3.2 襯砌厚度對支護(hù)的影響

由上一節(jié)支護(hù)襯砌注漿混凝土強(qiáng)度等級選取可知，從支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)角度綜合而言，并不是混凝土強(qiáng)度等級越高越好，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級越高，雖然支護(hù)效果最好，但支護(hù)效益變化不大，當(dāng)注漿混凝土強(qiáng)度選取C30 時(shí)最符合工況需求。選擇進(jìn)行不同襯砌厚度0.2m、0.3m、0.4m 進(jìn)行對比時(shí)，在數(shù)值模擬過程中保持其他條件不變而只改變襯砌注漿厚度，不同襯砌注漿厚度位移見圖7～圖9 所示。

圖7 襯砌厚度0.2m 支護(hù)下隧道開挖位移云圖

圖8 襯砌厚度0.3m 支護(hù)下隧道開挖位移云圖

圖9 襯砌厚度0.4m 支護(hù)下隧道開挖位移云圖

由圖7～9 可知，在不考慮成本的情況下，注漿厚度越厚，其支護(hù)效果最佳，注漿厚度為0.1m 時(shí)的支護(hù)效果最差，但把經(jīng)濟(jì)成本納入考慮范圍后，注漿厚度為0.3m 時(shí)相對是綜合最優(yōu)支護(hù)情況。

4 結(jié)論

（1）網(wǎng)格密度會影響模擬結(jié)果，網(wǎng)格越密，單元之間的連接越緊密，在后期計(jì)算時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變的傳播更易連續(xù)，但是也不是網(wǎng)格越密越好，當(dāng)網(wǎng)格密度越密時(shí)，模型本身的計(jì)算也越復(fù)雜，故在分析時(shí)，選好合適的網(wǎng)格密度，才能更易得到實(shí)際結(jié)果的同時(shí)也節(jié)省計(jì)算時(shí)間成本。

（2）在不考慮成本的情況下，注漿混凝土強(qiáng)度越大，變形程度越小，但把經(jīng)濟(jì)成本以及實(shí)際支護(hù)效果納入考慮范圍后，隨著混凝土強(qiáng)度的增加，支護(hù)效果的影響要小得多，混凝土強(qiáng)度等級從C30 大到到C35，最大沉降僅減小了0.88%左右。故綜上所述，C30混凝土材料相對是綜合最優(yōu)支護(hù)材料。

（3）在不考慮成本的情況下，注漿厚度越厚，其支護(hù)效果最佳，但把經(jīng)濟(jì)成本納入考慮范圍后，注漿厚度為0.3m 時(shí)相對是綜合最優(yōu)支護(hù)情況。