浅埋偏压隧道施工过程数值分析

魏海虹

(中国铁道科学研究院 标准计量研究所，北京 100081)

浅埋偏压隧道施工过程数值分析

魏海虹

(中国铁道科学研究院 标准计量研究所，北京 100081)

采用有限元分析方法对一浅埋偏压隧道开挖施工过程进行三维数值模拟分析，研究围岩变形、应力及锚杆轴力的变化规律，为评估施工方案的合理性提供依据。结果表明:掌子面距监测断面≥15 m时，监测断面的累计变形量可忽略不计;围岩最大变形＜10 mm，满足设计要求;由于偏压作用隧道断面周围锚杆受力分布不均匀，最大轴向压力出现在隧道拱顶左上方，为20.28 kN。

浅埋偏压隧道 数值模拟 围岩变形 初期支护

1 工程概况

一隧道位于山体坡度为15°～30°的丘陵区，全长640 m。隧道内净跨度为9.5 m，净高7.9 m。隧道施工以新奥法原理为基础，采用初期支护与二次衬砌复合式衬砌结构形式。隧道处于Ⅴ级围岩与Ⅵ级围岩的过渡区，表层多为泥质粉砂岩。隧道开挖采用全断面施工方法。

初期支护由锚杆、钢拱架及喷射混凝土组成。各支护材料的主要参数为:①锚杆长度 4 m，直径20 mm，沿隧道纵向间距为1.0 m，采用先锚固后注浆的方式施工，且注浆直径为40 mm。②一次衬砌结构采用15 cm厚 C20喷射混凝土。③钢拱架采用I18工字钢，沿隧道径向每1 m布置一榀钢架。

在隧道完成初期支护且围岩与支护结构的变形达到稳定后，施作二次衬砌。通常情况下，受浅埋、偏压等不良地质条件的影响，隧道二次衬砌结构将受到较大的围岩应力，从而需要对二次衬砌结构采取一定的加强措施。本工程中采用设置仰拱结构来提高二次衬砌的承载力。仰拱的设置使得二次衬砌结构形成了封闭的闭合环，从而有效提高支护结构整体抵抗变形的能力。

传统上采用荷载—结构模型进行隧道设计。该方法不能有效描述隧道开挖导致的围岩状态、地基承载力及结构受力的动态性。此外，其理想化处理方式往往与隧道实际的地质条件相差较大。本文采用大型有限元分析软件建立地层—结构计算模型分析新奥法施工过程中支护结构与围岩的相互作用，分析隧道开挖过程中洞口及洞顶的变形情况，从而对施工过程中支护结构的变形进行有效的控制。

2 数值计算分析

2.1 计算模型

建模时假设材料连续，均质，各向同性。由于隧道施工过程中周围岩体地层变化较小，故取30 m长的隧道段进行模拟，模型尺寸如图1所示。为保证计算的准确性，整体计算模型严格参照隧道施工图来建立。为减小边界条件对计算结果的影响，模型水平方向的长度选取80 m，右侧边界距离隧道开挖断面外轮廓线距离约为35 m(约为3.5D，D为隧道开挖断面直径)。下部边界取至隧底下21 m(约为2.1D)，竖直向上取至地表。此计算模型中共含有网格数93 210个，节点数99 262个。计算模型的边界处上侧为自由边界外，其余各侧均为固定边界。

图1 隧道计算模型尺寸(单位:m)

为使数值计算与实际施工过程具有相同的地应力条件，初始阶段仅考虑模型自重进行平衡模拟，得到模型竖向初始应力。

计算过程中，将围岩及混凝土材料按弹塑性模型处理，遵循摩尔—库伦破坏准则。

2.2 计算参数

数值计算时围岩的计算参数根据实际围岩特性以及相应的规范选取，锚杆、钢拱架以及混凝土衬砌材料参数采用实际施工数值，其余力学参数按照类比方法确定。计算参数见表1。

表1 计算参数

2.3 施工步骤

隧道的施工过程采用有限元程序提供的空单元进行处理。在隧道开挖过程中，通过定义空单元，激活实体单元及结构单元来模拟隧道开挖、初期支护、二次衬砌及仰拱回填等过程。整个施工包含15个施工开挖步，每个开挖步长为2 m。

隧道施工的每一步开挖都会对围岩造成扰动，当围岩趋于稳定后，岩体内最大不平衡力为0。最大不平衡力收敛后才能进行下一次开挖。如此循环进行，直到开挖、支护、衬砌过程完成。

2.4 计算结果分析

2.4.1 隧道洞口周围沉降量

隧道目标开挖断面变形量观测点如图2所示。各观测点对应的变形量与隧道施工进度之间的关系见图3。由图可知，当隧道开挖进度≥15 m时，各个观测点的累计沉降量基本保持不变，施工对隧道洞口的变形影响可忽略不计。

图2 目标面沉降点位置

隧道左右两侧起拱线周围的观测点沉降量变化趋势基本一致，随着隧道施工的进行先减小后增大，最终保持不变，最大沉降量分别为2.32，3.53 mm，偏压侧的变形较大。隧道起拱线以下的岩体累计变形量随开挖进度逐渐增大，仰拱中心点处最大达9.55 mm。仰拱中心点的累计沉降量约为拱顶沉降量的2倍。

图3 隧道目标断面洞口周围沉降量与施工进度关系

2.4.2 隧道洞口周围应力分布

距隧道洞口20 m处断面应力分布如图4所示，可见断面应力处于不对称分布状态，左侧受力略大于右侧。由图4(a)可知，在隧道仰拱中心线周围水平方向应力最大，且远远大于隧道拱顶处应力。由图4(b)可知在隧道结构起拱线周围竖直方向应力最大。隧道仰拱处应力值为9.8 MPa，拱顶处为2.93 MPa。

图4 距隧道洞口20 m处断面应力分布(单位:Pa)

2.4.3 锚杆轴力

在隧道开挖段洞口处，起拱线周围锚杆承受拉力作用，如图5所示。随施工的进行，起拱线两侧锚杆受力逐渐转化为压力。开挖段中部即计算模型中y= 15 m处隧道断面的锚杆最大轴力见表2。可知，锚杆轴力最大值出现在隧道拱顶左侧，最大轴力值为20.28 kN。隧道周围山体的偏压作用是导致锚杆受力不同的直接原因。

图5 锚杆轴力

表2 锚杆最大轴力

3 结论

本文以一新建隧道为研究对象，采用三维有限元分析方法对隧道施工过程进行数值模拟，分析围岩位移、应力、锚杆轴力等的变化规律，得到以下结论:

1)随着隧道施工的推进，当掌子面距监测平面距离＜15 m时，由隧道施工导致的累计变形量逐渐增大;当该距离≥15 m时，由隧道施工导致的累计变形量较小，可忽略不计。

2)在隧道开挖过程中，仰拱处累计变形量最大，为9.55 mm。隧道拱顶处累计最大变形量为 2.32 mm。仰拱处的变形量约为拱顶处的2倍。围岩变形＜10 mm，满足设计要求。

3)受地形导致的偏压作用的影响，隧道拱顶左侧锚杆承受的轴向压力最大，为20.28 kN。

本文所述隧道施工方案已应用于实际工程，工程进展顺利，可为类似浅埋偏压隧道的施工提供参考。

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(责任审编 李付军)

U455．4

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．17

2015-03-20;

:2015-06-13

魏海虹(1965— )，女，北京人，副研究员。

1003-1995(2015)08-0058-03