软弱围岩隧道ANSYS有限元数值模拟与现场监控量测对比研究分析

张举鹏

【摘 要】随着深埋、长大山岭隧道建设日渐增多，隧道穿越地层的复杂程度加剧、建设难度加大，软弱围岩隧道的稳定性和支护方法已成为工程施工中亟需解决的问题。通过对软弱围岩的地质特征及工程特性、软弱围岩破坏的特征及影响因素进行研究；基于监控量测和数值模拟分析重点研究了围岩与初期支护的相互作用应力，初期支护变形随时间发展的规律。以典型断面为例，应用 ANSYS有限元软件对隧道稳定性进行数值模拟计算，根据现场监控量测数据，绘制收敛速率随时间变化曲线，与监控量测数据实际研究分析对比，找出围岩变形及稳定规律，确定二衬施做时机。

【关键词】软弱围岩；监控量测；支护设计；数值分析

0 前言

我国正处于隧道建设的高潮时期，在隧道建设上每年都投入大量的人力、物力和财力[1]，以适应社会主义市场经济发展的要求。长期以来，隧道围岩稳定性评价和隧道开挖后应力重分布特征研究是工程地质学者研究的重要课题[2]，对于地质构造发育的山区公路隧道而言，区域地质条件、地质构造则是与其围岩稳定性所在有着直接关系的重要工程地质问题。比如区域性断裂破碎带地区，断裂带区域内的隧道围岩意味着围岩中各类结构面较为发育、围岩结构松散、岩体破碎、裂隙水发育等因素导致围岩基本处于体强度较低的碎裂状态。实践证明，破碎带区域围岩稳定性问题是十分重要的问题，它直接影响隧道工程的进度，关系着工程的成败。某隧道施工中，由于地层破碎，围岩稳定性差，出现塌方现象，迫使施工中断，转而又投入巨大的人力、物力来处理塌方事故，严重地影响了隧道施工的正常掘进，既延误工期又造成巨大的经济损失。

1 研究内容及采用方法

通过应用ANSYS有限元数值模拟计算，量测仪器的数据反馈；得出围岩与支护结构产生的应力与ANSYS软件理论计算[3]数据进行对比分析，对软弱围岩隧道的施工进行技术指导。

2 软弱围岩支护结构设计计算方法的基本原理

2.1 普氏计算原理

普氏理论算得的软质围岩松动压力[4]，一般在松散、破碎围岩中较为适用。普氏理论认为，所有的岩体都不同程度被节理、裂隙所切割，因此可视为散颗粒。但岩体又不同于一般的散颗粒，其结构面上存在着不同程度的黏结力。基于这种认识，普氏提出了岩体的“坚固性系数”f（又称侧摩擦系数）的理念。各计算数据见表1。

为确定围岩的松动压力，普氏进一步提出了基于“自然拱”概念的计算理论[5]。认为在具有一定黏结力的松散介质中开挖后，其围岩上方会形成一个抛物线形的自然拱，作用在支护结构上的围岩压力就是自然拱内松散岩体的重量。而自然拱的形状和尺寸（即它的高度hk和跨度bt）与岩体的坚固性系数f有关。具体表达式为：

2.2 ANSYS有限元计算与现场量测分析数据

2.2.1 荷载计算与数据分析图

2.2.2 对比分析

某隧道地質条件之复杂实属罕见，工程特点可以概括为：深埋、偏压、富水、高地应力，软岩、顺层、山高谷深、地质复杂、施工风险多、科技含量大及建设标准高。通过应用ANSYS有限元软件数值计算和现场监控量测对比分析，理论分析与实际监控量测数据基本相符，具体分析如下。

如图3所示的10个钢筋计从埋设钢筋计到一个月后测试数据，分析可得出应力在开始的一段时间内都呈递增的趋势，且应力都为负值，即为压应力。说明在初期支护完成后，初期支护各个部位都是受压的，压力逐渐增加。但是这一阶段又随钢筋计的埋设位置不同，变化时间上有较大差异。持续时间最短的为983#，约3天，压力增加也较小，为46.5MPa；持续时间较长的为988#，从9月26日埋设钢筋计到10月6日均为压力递增过程，压力增量达到57.3MPa。在10月5日到6日曲线均有较大的突变，主要是受仰拱开挖和仰拱施工影响。该段时间内的各个钢筋计均为压应力减小，其中983#、971#钢筋计甚至显示出现了拉应力。由于受压部位各不相同，变化的量也有很大差异，其中982#钢筋计的压应力变化最大，压应力减小量达到84.8MPa；990#钢筋计的压应力相应变化较小，其变化量为18.5MPa。仰拱浇筑完成后，钢筋计压应力的变化趋势均为重新开始缓慢增大。其中018#、982#、990#的压应力的增大过程均比较缓慢，持续时间很长；而983#、974#、988#、971#的压应力增大和减小的过程较短，曲线变化较明显，持续时间短。014#（拱顶）和994#分别数日后因超过钢筋计测程而失效，994#和981#钢筋计最后的读数分别为150.7MPa和45.4MPa，均未达到钢筋计的量程。10月15日以后的测试读数渐趋稳定，表明在仰拱浇筑后围岩变化趋于稳定。

3 结论

软弱围岩的应力重分布和变形是一个比较长的过程，其稳定需要时间较长，而且在隧道断面的各个位置，围岩的受力状态和变化过程均相差较大。通过现场监控量测量化了极限位移分级标准，确定控制标准，逐步完善软岩隧道变形控制技术。根据试验实测数据反演接触压力，通过对围岩大变形机理和变形特点的研究，现场施工中根据围岩变化情况，及时调整循环进尺、支护参数、预留变形量；提出了在炭质页岩富水地层采用“合理变形、刚柔并济、多重支护”；在炭质页岩贫水地层采用“合理变形、刚柔并济”的控制软弱围岩大变形的设计理念。

【参考文献】

[1]尤晓伟，张青喜.公路工程[M].北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2008：1-10.

[2]关宝树.软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3]李围.隧道及地下工程ANSYS实例分析[M].北京：中国水利水电出版社，2008：285-306.

[4]朱永全，宋玉香.隧道工程[M].北京：中国铁道出版社，2011.

[5]叶见曙.结构设计原理[M].北京：人民交通出版社，2010：138-206.

[责任编辑：田吉捷]