软弱围岩隧道施工数值模拟分析

2011-05-04祝云华

铁道建筑 2011年5期

祝云华

(内江师范学院物理系，四川内江 641112)

随着我国国民经济的蓬勃发展，公路客货运输量大幅度增长，高速公路成为中国公路建设的主流。由于隧道工程具有独特的优势而得到了广泛的应用，并取得了良好的社会效益和经济效益。但是由于隧道支护结构所处的环境条件较为复杂，围岩物理力学指标、荷载和结构抵抗能力等都不明确，给隧道支护结构的设计带来一定的盲目性［1-2］。采用数值分析方法对长大隧道围岩稳定性进行理论分析，可以弥补经验类比设计的不足，验算设计可靠性，分析隧道围岩的受力和变形特点，对工程施工有很好的指导作用。

目前公路隧道的施工主要采用新奥法，其根据隧道的围岩性质的不同，主要采用全断面一次开挖法、台阶开挖法、分部开挖法等［3-6］，但目前施工中其应力和应变均是在开挖完成后再进行测量的，主要的原因是无法在隧道开挖之前进行相应元器件的施工，导致隧道在施工过程中经常发生安全事故。因此为了对施工安全性进行指导，本文对施工过程中隧道围岩应力和应变的变化情况进行了探讨，运用数值方法中的有限元法对隧道进行计算分析以及评价其围岩稳定性，为本工程及其他类似工程提供借鉴。

1 工程概况

某隧道是国家重点高速公路杭州至兰州线重庆巫山至奉节段的重要组成部分，隧道位于重庆市巫山县楚阳乡滴水岩村至某镇风岭村境内，进口位于楚阳乡滴水岩村范家河西岸山坡上，出口位于某镇风岭村。隧道最大埋深约435 m，起讫桩号左线 ZK4+710—ZK9+292，长4 582 m，右线 YK4+729—YK9+335，长4 606 m。隧道位于中低山台地及中低山深切谷地斜坡地貌区，隧道穿过中低山山脊下部，区内最高高程1 082.0 m。

在工程地质和水文地质特征方面，隧道围岩主要由巴东组(T2b)灰岩、泥质粉砂岩及第四系残坡积碎石土(Qel+dl)组成，裂隙发育，岩石较为破碎，地质状况较为复杂。围岩级别为Ⅱ～Ⅴ级，稳定性较差，在施工中有可能出现冒顶坍塌等问题;隧道水文地质条件较复杂，隧道洞室会有渗流现象产生，地下水对隧道有影响。

隧道为上下线分离的四车道高速公路隧道，建筑限界净宽10.25 m，净高5.00 m。隧道拱部采用单心半圆，侧墙为大半径圆弧的单曲墙式衬砌。根据隧道埋深及围岩级别的不同，隧道共设计了9种复合衬砌形式，其中Ⅴ级围岩的复合衬砌支护见图1。

2 隧道计算模型和参数

2.1 隧道有限元计算模型

在本次模拟计算中，隧道的有限元计算采用隧道初期支护受力模式，模拟分析施工顺序对初期结构的受力与变形的影响。

根据某隧道断面尺寸，采用大型通用有限元计算软件ANSYS对某隧道S5b复合衬砌类型的ZK4+920断面进行数值模拟，建立有限元分析模型。隧道最大开挖宽度12.62 m，最大开挖高度7.88 m。模型左、右边界计算范围取45.00 m，上部边界计算范围取至地表(隧道埋深420 m)，下部边界计算范围取50 m。计算模型的左右边界分别受到X轴方向的位移约束，模型的地层下部边界受到Y轴方向的位移约束，计算模型如图2所示。

图1 隧道Ⅴ级围岩衬砌设计(单位:cm)

图2 计算模型

2.2 有限元选用的计算参数

根据隧道围岩的物理力学性质，在本次计算当中，采用了弹塑性的非线性有限元法。在有限元计算中，围岩材料的本构模式采用Drucker-Prager模型，以计算支护结构与地层在开挖过程中发生的非线性变形特性。利用对有限元计算单元进行激活与失效的处理功能来模拟隧道施工的分步开挖过程。

根据等效原则来模拟钢拱架，即将钢拱架的弹性模量折算给围岩加固区，折算后的弹性模量可按式(1)给出。计算中各材料单元的力学参数取值如表1所示。

式中，E为折算后混凝土弹性模量(MPa);E0为原混凝土弹性模量(MPa);Sg为钢拱架截面积(m2);Eg为钢材弹性模量(MPa);Sc为混凝土截面积(m2)。

表1 单元力学参数

3 数值模拟及结果分析

3.1 模拟计算工况

隧道ZK4+920断面数值模拟过程中采用上、下台阶法开挖，台阶长度为4 m，开挖循环进尺为2 m，隧道开挖与支护方式见图3。施工工序如下:上台阶开挖，上台阶拱墙先施作系统锚杆，长度4 m，间距1.0 m×1.0 m，梅花形布置，再施作C20喷混凝土22 cm;下台阶开挖，下台阶边墙施作系统锚杆，长度4 m，间距1.0 m×1.0 m，梅花形布置，再施作C25喷混凝土25 cm;最后施作C25钢筋混凝土45 cm。

在模拟隧道台阶法开挖过程中，本文研究的重点是隧道周边各关键点的施工力学效应，定义隧道周边3个特征关键点(与监控量测各个测点的位置一致)，如图4所示，分别表示为1、2、3点。在计算结果中，分别提取这3个特征关键点在各个施工阶段的位移值。

图3 断面开挖方式

图4 隧道周边特征关键点位置

3.2 模拟计算结果分析

对建立的有限元模型进行求解计算，得到混凝土衬砌初期支护后围岩应力场、位移场及支护轴力情况。图5～图10列出了隧道采用上下台阶法开挖时的应力位移等值云图。

图5 上台阶应力云图(单位:Pa)

图6 上台阶位移云图(单位:m)

从图5～图10中可以看出，上台阶开挖完成后，在开挖面底部出现较大的拉应力，最大水平拉应力达0.812 MPa，最大竖向拉应力达3.154 MPa，这是由于去除了该处围岩的附加应力和自重应力而受弯产生的;在开挖面的拱脚出现了最大剪应力，最大剪应力为5.022 MPa;上台阶开挖对竖向应力场造成较大的影响，对开挖面以下2倍开挖面高度范围内的围岩均有不同程度影响，开挖面附近的影响程度最大。初期支护的拱腰处所受的弯矩和轴力最大，最大弯矩值为155.496 kN·m，最大轴力为 2.092×104kN。

图7 上台阶喷层轴力云图(单位:N)

图9 下台阶位移云图(单位:m)

图10 下台阶轴力云图(单位:N)

下台阶开挖后，围岩所受的最大剪应力出现在拱脚处，剪应力最大值为19.76 MPa;最大压应力出现在拱脚处，最大值为44.50 MPa;在初期支护拱脚上方1.5 m左右弯矩值最大，最大值为103.107 kN·m，在起拱线上方1.5 m左右喷层轴力最大，最大值为2.42×104kN。

从图5、图6可以看出，上台阶开挖后最大水平方向位移发生在开挖面拱脚下面约2.8 m处，拱脚处的水平位移指向洞内;竖直方向的位移最大值在拱顶处，方向指向洞内。从图8和图9可知，下台阶开挖完成以后，最大水平位移位于拱腰处，而拱顶和拱肩均有较大的竖直方向位移。

为了便于对开挖后围岩的位移进行分析，表2列出了特征关键点在台阶法开挖各个阶段的位移值。图11给出了上下台阶法开挖情况拱下各监测点随进尺围岩变形的数据。

表2 台阶法关键点位移值

图11 拱顶位移随围岩进尺关系曲线

从图11及表2中可以看出，隧道上台阶开挖后，关键点1拱顶处位置变形明显大于下台阶开挖阶段，点2位置处无论是上台阶还是下台阶，两者变形均相近，而对于点3，由于仰拱开挖，此时仰拱处位移，下台阶远大于上台阶。下台阶开挖后，由于初期支护的施加，围岩的拱顶变形位移减少了7.8%，周边变形减少了11.7%，说明在软弱围岩中，采取上下台阶法开挖，支护应及时跟进，使得围岩的变形得到有效的控制，保证施工安全。

3.3 数值模拟结果对比分析

图12所示为ZK4+920断面右洞开挖后使用有限元软件计算和现场实测值的对比，从图中可以看到，无论在变化规律上还是最大值上，计算结果与监控量测位移值都可以很好地吻合，说明数值模拟所采用的模型和参数是合理的，在一定程度上有现实意义，可以指导现场施工。本次研究的结果可以在地质条件相类似的工程中进行推广，预期可以得到较好的效果。