深埋隧道动态施工数值分析

■刘志娟

（中国能源建设集团黑龙江省电力设计院有限公司 黑龙江哈尔滨 150078）

深埋隧道动态施工数值分析

■刘志娟

（中国能源建设集团黑龙江省电力设计院有限公司 黑龙江哈尔滨 150078）

本文使用有限元分析软件对深埋围岩进行数值分析，分析了围岩段在施工工程中围岩应力与位移的变化规律，根据变化规律指导反馈设计和对隧道施工安全进行超前预报。

深埋隧道动态施工数值分析

0 概述

隧道开挖和支护过程，实际上就是隧道围岩卸载和加载的过程，施工中围岩边界条件不断变化，造成深埋隧道在施工过程中常常出现实际情况与设计有差异的现象[1]。本文拟对埋深超过500米的深埋隧道动态施工进行模拟分析，为主动预防灾害，实现安全施工提供科学依据。

1 隧道动态施工有限元数值分析模型

1.1 模型的建立

某高铁隧道，埋深为579.74m，隧道设计净宽度是12.82m，设计净高度为10.58m，长12438m，围岩衬砌支护断面图如图1所示。围岩等级为Ⅴ级，地层岩性主要为强风化石英砂岩，岩体破碎，裂隙发育，呈块状，易坍塌，设计施工采用环形开挖预留核心土挖法进行开挖和支护。

图1 Ⅴ级围岩衬砌支护断面图

图2 隧道建模

计算范围一般选取洞室半径的3倍，综合模拟隧道中心到上边界为30m，到下边界距离为40m；左右边界相距100m。根据断面设计图，Ⅴ级围岩初期支护厚度为28cm，二次衬砌厚度为50cm。具体模型见图2。

1.2 网格的划分

有限元网格划分方法主要有自由网格和映射网格两种，本模型采用四边形的映射网格划分，采用“内密外疏”的原则将整个模型网格划分为2312个单元和2243个节点，具体划分见图3。

1.3 模型参数的选取

根据拟建隧道的岩土工程勘察报告，结合其工程地质特征，本次模拟分析选取围岩的物理力学指标如表1所示，衬砌支护建筑材料的力学参数如表2所示[2]。

图3 模型网格划分

表1 各级围岩物理力学指标

建筑材料 γ（KN/M3） Ec（Gpa） Ro（Mpa） Rf（Mpa） 泊松比喷射C25 22 23 ≥15 1.3 0.2 φ22锚杆 77 210 — — 0.25 C35混凝土 25 31.5 25.7 2.4 0.2

2 数值模拟开挖支护计算结果分析

2.1 初始应力模拟结果分析

利用ANSYS求解器求解后，得出隧道在开挖前初始应力和应变云图如下图4和图5所示，可以看出，隧道在开挖前，X方向的最大位移为0.301cm，Y方向位移由上边界向下边界逐渐减小；由第一主应力云图和第三主应力云图可看出，隧道在开挖前，应力是由上至下逐渐减小。

图5 Y方向位移云图

2.2 环形土体开挖和支护模拟结果分析

隧道环形土体开挖模拟后，位移云图见见图6和图7。可以看出围岩的移动趋势总体为向开挖面内挤压，其中拱角处产生的水平位移达到最大值，最大值为0.2653cm。Y方向位移云图可以看出围岩总体的移动趋势是拱顶下沉、两侧边墙张开和仰拱向上鼓起，拱顶处竖向相对位移为-2.5203cm。

图6 Y方向位移云图

图7 X方向位移云图

环形土体开挖后，可以明显的看出围岩应力进行了二次分布，在X方向两边拱角和下台阶处应力明显增大；Y方向拱顶处的应力分布呈“V”字型。应力分布总体趋势向开挖部分挤压，在拱顶和拱角处易发生应力集中现象，在施工中应注意及时的增加临时支撑。

2.3 核心土开挖模拟结果分析

核心土开挖后，经模拟分析可以看出，X方向位移变化明显减小，但位移变化最大处依然是拱角处，最大值为-0.3018，由此看出拱角处的应力集中现象较明显。Y方向位移变化不大，相对位移变化最大处为拱顶，与开挖核心土之前的位移变化不大，已趋于稳定。

水平方向应力集中只有表现在下台阶，最大值为223.109kPa；竖向应力集中主要表现拱角处，最大值为185kPa。主应力云图反映开挖后应力的集中主要体现在下台阶，第一主应力图中反映最大主应力在下台阶开挖面处；第三主应力分布呈现倒三角形，最大主应力出也是下台阶处。

开挖核心土后，支护轴力变化不大；在拱角处剪力增大幅度较大，最大值为46.219KN；弯矩变化幅度也不是很大，但在两边墙处弯矩增幅较大，最大弯矩值为36.865KN.M。由此可见，预留核心土对软弱围岩开挖起着重要作用，能减缓下台阶应力的释放速度。

2.4 下台阶开挖与支护模拟结果分析

下台阶开挖后，围岩的位移云图及应力分布图如图8所示。可以看出，X方向变化继续减小，由此看出围岩在水平方向变化趋于稳定。Y方向位移变化不大，相对位移变化最大处为拱顶，最大值为-27.981mm，说明拱顶处沉降也趋于稳定。

在开挖下台阶应力重分布后，水平方向应力集中现象趋于改善；竖向应力集中主要表现拱角和拱底处，最大值为21.945kPa，竖向应力集中现象也再改善。主应力云图反映开挖后应力的重分布主要体现在拱角和拱底。在开挖下台阶后，要及时的施作支护。

下台阶土体开挖后支护结构的轴力、剪力和弯矩：开挖下台阶土体后，支护轴力向下台阶附近延伸；在拱角处剪力依然最大，最大值为33.797KN；边墙处弯矩减小，拱顶处弯矩最大，最大弯矩值为33.797KN.M。

在隧道开挖过程中，在拱顶、边墙、开挖面及下台阶处都出现应力集中的现象，但随着喷射混凝土、刚拱架及钢筋网等初期支护措施的完成，应力集中现象随着开挖的进行逐渐缓解。

图8 X方向位移云图

3 结论

上述分析可以看出，随着隧道的开挖和支护的进行，在整个过程中围岩大部分区域是受压的，只是在开挖面附近出现了一些小区域的拉应力，但在支护后，拉应力基本未见。因此，说明在本隧道初期支护设计中，所采用的设计参数是有效的。仰拱部分的拉应力相对较大，在开挖完下台阶后要及时的施作仰拱，使整个支护成环，形成一个有效的支护体系。在模拟整个开挖过程中，支护能有效的缓解应力集中和抵抗围岩应变，设计的支护参数能够使围岩在开挖过程中保持稳定。

[1]傅鹤林，郭磊等.大跨隧道施工力学行为及衬砌裂缝产生机理 [M].北京：科学出版社，2009：47～86.

[2]熊鑫，深埋宽长隧道软弱围岩施工动态有限元数值模拟研究 [D],桂林理工大学硕士学位论文，2012.6.

U45[文献码]B

1000-405X（2015）-11-363-2