基于数值模拟的隧道仰拱优化分析

孟德林

(河北省高速公路承赤管理处　承德　067000)

基于数值模拟的隧道仰拱优化分析

孟德林

(河北省高速公路承赤管理处承德067000)

摘要为了确定在III2级围岩隧道中是否可以取消仰拱的设置，采用FLAC3D有限差分软件，对III2级围岩情况下的平底隧道(模型1)和仰拱隧道(模型2)这2种隧道底部支护形式进行了数值模拟和研究，通过对隧道开挖支护过程结束后目标断面的围岩竖向位移、围岩竖向应力特点、二次衬砌变形这3个方面进行分析比较，结果表明，III2级围岩隧道取消仰拱，采用平底结构，隧道二次砌衬能够保持稳定性，也满足隧道对二次砌衬安全储备的要求。

关键词公路隧道仰拱数值模拟

高速发展的公路隧道建设事业，无疑推动着公路隧道设计理论的不断进步。目前我国公路隧道的研究围绕长大隧道[1-3]、特殊地质条件[4-5]、优化施工方法[6-7]等方面进行。大多学者采用数值模拟方法研究隧道仰拱的力学作用，刘楠[8]采用ANSYS对隧道II，III级围岩是否需要仰拱做了模拟受力，表明II级必须设置仰拱而III级则需要对应实际的工程状况。陈力华[9]采用数值分析法研究了大跨隧道仰拱，对于大跨扁平隧道，在基本无构造应力的IV级围岩段可以不设置仰拱，但构造应力较大的IV级围岩段应设置仰拱。李之达[10]研究了小净距公路隧道仰拱的设置，IV～VI级围岩中小净距隧道设置仰拱后可以有效地减小周边围岩位移，如拱顶3.5 %～5%，仰拱处17%；围岩塑性区减小约20%。山岭隧道施工是否施作仰拱的问题，规范中进行了一些规定。然而隧道工程地质条件是十分复杂的，规范不可能针对任意特定条件一一给出相对应的处理措施，所以有必要在特定条件下对仰拱设置与否的问题进行较为细致深入的分析。

IV级围岩采用全断面开挖方式施工，拱顶下沉1mm，最大应力达到3.02MPa；而采用上下台阶开挖方式施工，拱顶下沉0.5mm，最大应力为2.39MPa。

V级围岩采用上下台阶开挖方式施工，当上台阶开挖后，拱顶下沉0.5mm，最大应力 3.31MPa；而采用环形台阶开挖方式施工，总的拱顶下沉0.5mm，仰拱向上0.5mm，最大应力为 2.34MPa。

通过对以上III级、IV级和V级围岩情况的模拟，比较不同围岩不同施工方式施工模拟，由结果分析可见，III级围岩宜采用全断面开挖，IV级围岩宜采用台阶开挖，V级围岩宜采用环形台阶开挖方式施工。

参考文献

[1]徐婷,曹世理,周伟,等.长大隧道施工人员定位跟踪系统设计研究[J].公路,2014(2):113-117.

[2]郭维君,陈学军,肖桂元.长大隧道施工开挖地质灾害控制研究[J].铁道工程学报,2010(9):41-45.

[3]赵玉报,陈寿根,谭信荣.长大隧道施工中干式除尘机理及应用[J].现代隧道技术,2014(3):200-205.

[4]陈建勋,乔雄.黄土隧道浅埋偏压洞口段套拱结构受力监测与分析[J].建筑科学与工程学报,2011,28(3)：100-105.

[5]陈建勋,王梦恕,轩俊杰,等.两车道公路黄土隧道变形规律[J].交通运输工程学报,2012(6):9-18.

[6]李文江,孙明磊,朱永全,等.软弱围岩隧道台阶法施工中拱脚稳定性及其控制技术[J].岩石力学与工程学报,2012(S1):2729-2737.

[7]吕向红,杨冬梅,郑青.全断面卵石地层盾构近距离下穿地铁区间隧道施工技术[J].现代隧道技术,2013(5):152-157.

[8]陈建平.地下建筑工程设计与施工[M].武汉：中国地质大学出版社，2000.

[9]JTGD70-2004公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

1　模型的建立

1.1本构模型和材料参数的选择

由于岩石不是一种各向同性材料，因此应力水平和应力路线都会影响它的应力-应变关系性能。本研究一共涉及到3种模型：初期支护(钢拱架支护)和二次衬砌采用弹性模型模拟，围岩和加固圈采用霍克布朗(H-B)模型模拟，隧道开挖采用空模型。

根据本隧道围岩岩体特征，并结合《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)和本区岩石实测指标统计平均值，本文模拟省界隧道III2级围岩、衬砌模型参数见表1。

表1　围岩、衬砌模型参数

1.2目标断面及主要监测点

分析研究隧道实际施工情况对监测断面(目标断面)的影响情况，采用台阶法，每3m循环一次，模型共分17段进行开挖支护。考虑到隧道边缘易受边界效应的影响，本次选取中间断面y=23.5m为研究的目标断面。

2　数值模拟分析

2.1竖向位移分析

隧道开挖支护过程在不同程度上不可避免地会对围岩产生不同程度的扰动和破坏，从而引起位移场的变化，因此，能够时刻了解围岩的变形情况对于保证施工安全、避免工程事故都具有重要的指导作用。数值模拟研究中常常会把围岩变形情况，特别是围岩竖向位移，作为判断围岩稳定性的重要依据。本节给出III2级围岩在平底和仰拱隧道情况下最终开挖支护完成后的目标断面横断面竖向位移云图，见图1。

a)模型1横断面竖向位移云图b)模型2横断面竖向位移云图

图1目标断面横断面竖向位移云图

由图1a)可见，平底隧道目标断面处竖向位移的最大沉降值发生在拱顶衬砌及以上部分围岩，最大值为-4.615 9mm，隧道底部中心线及隧道开挖断面附近的岩体产生了位移拱起，最大拱起值达到4.198 7mm。图1b)中显示仰拱隧道的目标断面最终拱部衬砌及以上围岩竖向最大沉降值为-4.609 2mm，底部最大竖向拱起值为4.068 3mm。由此可知，仰拱与平底隧道相比，由于仰拱隧道整体性相对较好，其底部最大竖向拱起值减少3.105 7%，因此，III2级围岩段隧道仰拱抵抗底部围岩的拱起变形作用不大；同样III2级围岩段隧道仰拱在抵抗拱顶下沉变形的方面也没起到作用，模型2拱顶下沉值小于模型1为0.145 2%，说明III2级围岩段3车道设置隧道仰拱在抑制底部隆起和拱顶沉降变形方面作用不明显。

2.2竖向应力分析

隧道开挖支护过程中，周围岩石会产生各个方向的应力，一般有竖向应力Szz、水平应力Sxx、剪切应力Sxz、最大主应力Smax、最小主应力Smin等，由于隧道开挖支护对其竖向应力影响最大，故对目标断面竖向应力的变化和规律进行分析，见图2。

a)模型1横断面竖向应力云图b)模型2横断面竖向应力云图

图2目标断面横断面竖向应力云图

由图2可见，III2级围岩平底和仰拱隧道的竖向应力分布规律基本相同。平底隧道(模型1)目标断面竖向压应力最大值为-6.813 2 MPa，拉应力最大值1.293 2 MPa；仰拱隧道(模型2)最终开挖支护完成后的目标断面竖向压应力最大为-6.804 7MPa，比模型1减小0.12%；拉应力最大值为1.290 7MPa，比模型1减小0.19%。

2.3二次衬砌竖向位移

图3为围岩衬砌最终竖向位移云图。由图3可见，隧道衬砌顶部竖向沉降值最大，竖向位移从隧道顶部沿着边缘深度递减，最后在隧道底部中心线附近出现正值，即隧道底部中心线部位隆起。

平底隧道(模型1)和仰拱隧道(模型2)2模型最终竖向最大位移值基本相同。模型1最终最大沉降值为-4.724 9mm，最大拱起值为4.174 0mm；模型2最终最大沉降值为-4.689 1mm，最大拱起值为4.041 1mm。图3所示平底隧道(模型1)和仰拱隧道(模型2)2模型隧道围岩初衬竖向位移值,模型1隧道初衬最大沉降值为-4.615 9mm,最大拱起值4.198 7mm；模型2隧道初衬最大沉降值为-4.609 2mm，最大拱起值4.068 3mm。隧道二次衬砌的竖向位移值为图3所示的值减去图1所示的值，模型1和模型2隧道二次衬砌最大沉降值和最大拱起值均小于0.1mm,这说明隧道二次砌衬变形值很小，满足二次衬砌安全储备的要求。也表明III2级围岩平底隧道和仰拱隧道在距掌子面50 m开始进行二次衬砌支护是可行的。

a)模型1衬砌最终竖向位移图b)模型2衬砌最终竖向位移图

图3围岩衬砌最终竖向位移云图

3　结语

本文以FLAC3D有限差分软件为依托，对III2级围岩情况下的平底隧道(模型1)和仰拱隧道(模型2)底部支护形式进行了数值模拟和研究，结果表明对于III2级围岩3车道隧道，从隧道围岩变形、应力分布和二次衬砌位移分析来看，可以考虑取消隧道仰拱设置，采用平底隧道也可以很好地控制隧道围岩的变形，保证隧道的稳定性。同时，可以减少隧道施工时间，节约隧道建设成本。

[1]徐婷，曹世理，周伟，等.长大隧道施工人员定位跟踪系统设计研究[J].公路,2014(2):113-117.

[2]郭维君，陈学军，肖桂元.长大隧道施工开挖地质灾害控制研究[J].铁道工程学报，2010(9)：41-45.

[3]赵玉报，陈寿根,谭信荣.长大隧道施工中干式除尘机理及应用[J].现代隧道技术，2014(3):200-205.

[4]陈建勋，乔雄.黄土隧道浅埋偏压洞口段套拱结构受力监测与分析[J].建筑科学与工程学报，2011(3):100-105.

[5]陈建勋，王梦恕，轩俊杰，等.两车道公路黄土隧道变形规律[J].交通运输工程学报，2012(6):10-18.

[6]李文江，孙明磊，朱永全，等.软弱围岩隧道台阶法施工中拱脚稳定性及其控制技术[J].岩石力学与工程学报，2012(S1):2729-2737.

[7]吕向红，杨冬梅，郑青.全断面卵石地层盾构近距离下穿地铁区间隧道施工技术[J].现代隧道技术，2013(5):152-157.

[8]刘楠.公路隧道仰拱力学性能的仿真分析[J].华东公路，2012(6)：73-74.

[9]陈力华，任尚强，靳晓光.大跨扁平隧道中仰拱的研究[J].公路隧道，2010(2):9-12.

[10]李之达，张琼武，黄强，等.小净距公路隧道仰拱设置的研究[J].湘潭大学学报:自然科学，2009(2):51-56.

收稿日期：2015-04-07

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.028