某隧道二维数值模拟优选施工方法及支护参数探析

张竞予，王晖

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000）

某隧道二维数值模拟优选施工方法及支护参数探析

张竞予，王晖

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000）

文章依据某隧道设计与施工方法，应用有限元软件（ANSYS）对其采用CD开挖工法和三台阶七步开挖工法的施工过程进行二维有限元数值模拟，对比分析了不同开挖方法下的围岩位移场及支护结构内力状态等主要结果，获取各工法施工过程中黄土围岩与支护体系的力学性状，并进行论述。

CD工法；三台阶七步工法；数值模拟

1 概述

有限元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一个单元中假设一近似插值函数以表示单元场中场函数的分布规律；进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的自由度问题。一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。

2 工程概况

本隧道为上、下行六车道隧道，自西向东长约3.0km，隧道宽度为14.0m。地形主要为沟谷和高阶地，部分地段为泥石流、滑坡易发区；埋深较大，地面标高约为1600m，洞身主要通过所通过地层结构较为复杂，主要是素填土、黄土状粉土、片麻岩及砂砾岩等。在施工勘察期间，未揭示到地下水，但根据区域地质资料，片麻岩中可能存在基岩裂隙水。

3 计算参数与模型建立

3.1 计算参数确定

本文依托《岩土工程勘察规范》及本隧道地质勘察报告，采用四节点平面单元PLANE42模拟围岩；BEAM3模拟喷射混凝土及钢架单元；锚杆注浆加固圈采用等效原则模拟，即四节点平面单元PLANE42加以模拟；钢筋网、小导管不予以考虑；二次衬砌作为安全储备也不予以考虑。

计算参数 表1

实常数 表2

3.2 模型建立

本隧道主要考虑的施工方法为CD及三台阶七步开挖工法，以下为两种工法的有限元模型。

图1 CD工法有限元模型

图2 三台阶七步工法有限元模型

4 数据分析

根据ANSYS模拟计算范围确定原则通常，在本次计算中，模拟开挖隧道最大跨径为16.00m，最大开挖高度为10.70m，埋深仅为25m，小于1倍跨径；模型解析区域：向下取接近3倍隧道高度范围，即35m；左右取接近隧道4倍跨径范围，即64m；向上取直至地表范围；在该范围外的土体则认为不受影响。本隧道观测点主要为：拱顶、左右两侧拱腰及左右两侧最大跨处。

4.1 围岩竖向最终沉降量分析

数值模拟计算结果见表3。

各关键部位竖向位移表（单位：mm） 表3

图3 三台阶七步工法最终沉降

图4 CD工法最终沉降

4.2 支护结构内力分析

数值模拟计算结果见表4。

各关键部位轴力表（单位：kN） 表4

图5 三台阶七步工法轴力云图

图6 CD工法轴力云图

由以上图、表分析得出：

①CD法拱腰最终沉降量为 60.44mm和60.24mm，三台阶七步开挖法拱腰最终沉降量为118.97mm90.25mm；CD法最大跨最终沉降量为28.26mm和50.77mm，三台阶七步开挖法最大跨最终沉降量为125.80mm和99.06mm。三台阶七步法的最终沉降量比CD法减少56.83%；从拱腰沉降值分析，CD法较三台阶七步法更加对称，数值大小更加接近，CD法拱腰处最终沉降量比三台阶七步法减少50.49%；从最大跨处沉降值分析，CD法最大跨处最终沉降量比三台阶七步法减少78.56%。因此，选用CD法施工更为合理。

②CD法施工引起的支护结构轴力普遍高于三台阶七步法；CD法施工引起的支护结构最大轴力产生于左侧最大跨处，为2749.3kN，是三台阶七步法的18倍之多，但仍属于可控范围之内。

③从整体开挖过程来看，CD法施工最终引起的支护结构内力较三台阶七步法更为对称，所以从内力分布状态而言，CD法优于三台阶七步法。

④隧道支护参数为：喷射C25混凝土厚25cm；工20b钢拱架间距50cm；径向系统锚杆φ25螺纹钢长4.5m；4组8根下斜30°的φ42锁脚锚管长5m（1、2、3、4开挖部脚部各一组锁脚锚管）；φ8钢筋网网孔间距20×20cm；纵向连接筋为φ22螺纹钢筋，环向间距1.0m。

5 结论

通过对本隧道不同施工方法数值模拟，得出以下结论：

①两种不同的施工方法，其围岩沉降分布大致一样，位移最大处均位于拱顶部分；其中三台阶七步法开挖引起的洞身下沉量较CD法更大。

②隧道开挖顺序对支护结构内力的分布区域影响较大，三台阶七步工法主要集中在拱顶处，CD工法主要集中在边墙处。

本文结合某隧道具体实际施工情况，对两种施工方法有针对性的进行分析、计算和研究，提出合理的施工方案，并且通过了实际工程的验证取得了良好的实践应用效果。

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U455.4

B

1007-7359（2016）06-0111-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.042

陕西铁路工程职业技术学院科研基金项目《用二维数值模拟优选隧道施工方法及支护参数的研究》（编号：2015-17）。

张竞予（1984-），女，山西运城人，讲师，研究方向：地下工程施工技术。