基于ABAQUS碎石土隧道稳定性数值模拟分析

杨幸福，崔正宇，黄志强

(1.中交路桥建设有限公司，北京 100027；2.中交路桥北方工程有限公司，北京 101111;3.沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110870)

0 前 言

现阶段我国的交通等基础设施得到了迅速发展，在不良地质条件下的隧道施工越来越多。

隧道边坡终年堆积的碎石土存在着富水、偏压等问题，而且碎石土围岩本身自稳性差，在施工中极易出现滑坡坍塌一类的地质灾害，造成严重的社会影响和经济损失，这些问题对施工中的安全措施和施工工艺提出了更高的要求。在隧道开挖过程中，碎石土围岩会出现较大的变形、失稳，增加了塌方冒顶的施工风险，因此，采用什么样的方法克服碎石土这样的不良地质条件，对提高复杂地质条件下公路隧道的施工效率和安全系数具有重要的现实意义。

1 工程概况

贵州省石阡至玉屏(大龙)高速公路位于贵州省铜仁市，是贵州省政府高速公路攻坚决战重点项目，该公路建成后将对完善贵州省高速公路网起到重要作用。小白岩隧道和将军山隧道位于该高速公路的第TJ07标段(YK46+250～K53+473.573)，路线全长7 224 m，单洞全长7 318 m。其中，小白岩隧道左幅3 425 m，右幅3 445 m，将军山隧道左幅230 m，右幅218 m，隧道的设计汽车荷载为公路Ⅰ级，车道数为双向四车道。小白岩隧道、将军山隧道均位于岑巩县平庄乡境内，既有交通条件较差，隧址区地貌起伏较大，属于典型山区公路隧道。其中，小白岩隧道属于特长隧道，实际施工工期不足20个月，月综合进尺最低要求完成216 m，才能满足合同工期。根据地质勘查报告和实际开挖情况，隧道洞口边坡和洞口段不同程度地穿越了复杂地质，施工风险大、技术难度高。

在新建的小白岩隧道、将军山隧道进出口位置存在许多厚度较大的坡积碎石层，这些碎石层的斜坡坡度较大且顺层节理发育，造成进洞口仰坡稳定性较差，开挖时易形成顺层滑塌。碎石土层主要由粗、细颗粒土组成，其中粗颗粒土占主要成分，粗颗粒土的内部结构较为复杂，土中粒径大小差异明显，因而碎石土的颗粒集配对其抗剪强度等物理特性影响很大。贵州地区常年雨量充沛，碎石土中的孔隙水压力会使边坡的下滑力增大，而且造成滑面上的法向应力减小从而降低了碎石土的等效抗剪强度，最终导致碎石土滑坡。为了改善碎石土的力学特性，工程中采用了注浆加固技术来保持围岩边坡稳定，在两处隧道中，围岩级别为Ⅲ级～V级，其中V级区段围岩最为复杂，施工中隧道洞身一旦开挖，围岩将难以形成有效的承载拱，极易发生坍塌事故，因此V级区段是本隧道施工中的难点。本文利用ABAQUS有限元分析，模拟隧道碎石土围岩的受力和稳定性，揭示碎石土围岩的变形机理，确定隧道洞口坡体注浆加固的范围、深度，对于加快隧道施工进度、降低工程成本具有重要的作用。

2 ABAQUS模型的建立

2.1 模型概况

本文结合小白山隧道现场施工的资料，建立了二维平面应变模型，如图1。该模型边界选取了一个长方形平面，长为50 m，宽为40 m，隧道洞身直径为10 m，高度为5 m，取土体的自重方向为Y方向，上表面为自然地面。建模过程中将模型的左右边界水平方向约束，将底部双向约束，顶部则不作约束。本文计算中碎石土围岩采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，衬砌采用弹性模型，整个模型包含542个单元和576个节点。

图1 模型网格

2.2 计算参数

根据现场碎石土力学试验测试和围岩V级标准，在模拟隧道开挖和支护过程中，采用最不利工况下的材料参数，见表1。

表1 碎石土力学参数

开挖初期使用湿喷机喷射混凝土，湿式喷射粉尘少，回弹少，可以充分保证混凝土的质量，混凝土的强度等级为C30。衬砌采用钢筋混凝土材料，厚度为30 cm(见表2)。

表2 衬砌材料参数

3 结果与分析

3.1 围岩应力分析

根据动态模拟结果可以得出，随着开挖工序的进行，开挖区周围随即产生拉应力，由于对碎石土围岩的扰动增大，当拱顶开挖完成后，围岩的拉应力达到了最大，最大值为22.45 kPa，如图2。开挖完成后，应力会逐渐释放，碎石土围岩的最大拉应力随之减小，衬砌施作完成后，最大拉应力为19.76 kPa，由此可见，衬砌对抑制拉应力扩展有很好的作用。隧道开挖时应力主要集中在拱顶处，所以初期支护注浆时也应特别注意加固拱顶围岩。

图2 拱部开挖后的应力云图

图3 衬砌施作后的应力云图

3.2 围岩位移分析

从模型的动态位移分布场可以看出，开挖过程中围岩位移基本随开挖进行呈增大趋势，当全部开挖完成后，围岩位移达到最大值。拱顶因碎石土扰动向下发生位移16.6 mm,拱底因碎石土挤压向上发生位移18.3 mm,如图4所示。所以在初期支护时不仅要喷射混凝土还要锚杆支护，避免碎石土围岩因失稳引起塌方事故，而且拱顶和拱底处的位移都较大，施工注浆时要特别注意拱顶和拱底处的加固和支护。

图4 开挖后竖向位移分布云图

3.3 衬砌受力分析

从衬砌的应力云图结果来看，拱底和拱顶受到的拉压应力都比较小，均在0.3 MPa左右，但是拱脚处由于模型与实际隧道施工相差较大，造成应力集中，最大拉应力为3.69 MPa，最大压应力为0.83 MPa，如图5所示。在衬砌的位移云图中，衬砌顶部向下发生位移8 mm,如图6所示，碎石土围岩较之前已经基本趋于稳定，但是衬砌拱底向下发生位移22 mm，可能是由于泥炭土地基不均匀沉降造成的，因此，施工时还应注意地基加固处理，减小沉降。

图5 衬砌应力分布云图

图6 衬砌位移分布云图

4 结 语

将小白岩和将军山隧道的现场监测数据与模拟结果相对比，结果表明，现场监测到的围岩和衬砌的应力位移较数值模拟结果偏小，主要是因为现场无法监测施工初期的地基沉降，而用ABAQUS做的数值模拟结果可以将这些因素考虑在内。综上所述，利用ABAQUS所做的稳定性分析与现场的监测到的围岩衬砌的受力位移较为吻合，可以得出如下结论。

1)在隧道开挖初期碎石土围岩的稳定性会受到影响，开挖过程中应紧随着施作支护和隧道碎石土的注浆加固。

2)碎石土围岩较软弱，稳定性也比较差，施工时要增加测点及时检测到有效数据，特别是在拱脚、拱顶、拱底处，这些位置经常会出现应力集中和大幅沉降的情况，为保证施工安全必须加强检测。

3)数值模拟往往和现场的实际工况有一定差距，为了减小误差，模拟计算时各项参数应尽量依照现场的实际情况选择，这样才能计算出有效的模拟结果以供实际施工参考。

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