基于ABAQUS大跨度双联拱隧道开挖的数值模拟分析

2021-03-15段军朝石九州王斐李柯

石河子大学学报（自然科学版） 2021年1期

段军朝，石九州，王斐，李柯

(1 华中科技大学，湖北武汉 430064；2 中建三局集团有限公司，湖北武汉 430064)

随着我国经济的快速发展，我国公路建设的规模、数量和速度也得到了前所未有的发展,截至2018年末，我国公路总里程484.65万km，比2017年增加7.31万km，其中公路隧道共计17 738处、总长1 723.61万m，较2017年增加1 509处、195.10 万m[1]。由于隧道一般所处的围岩环境比较复杂，特别对于地形复杂和地质条件下，线路布设困难且分离式隧道难以满足左右洞径要求等因素，所以采用双联拱隧道成为首选方案，在进行隧道工程中双联拱隧道得到了越来越多的运用[2]。联拱隧道明显具有节约土地、节省投资、外形美观等优点，但是由于其高跨比很小、结构受力复杂、设计要求高，而对施工工艺方法要求严格[3-4]。

GHABOUSSI J 等[5]对小净距隧道中间岩柱体的应力应变进行了研究分析，结果表明中间岩柱体的应力集中且受力复杂，提出加强岩柱体设计强度建议；李小龙[6]对软弱地层下双联拱隧道的研究表明，随着左右隧道间的相互作用与二者间的间距成正相关；夏永旭等[7]对Ⅱ类围岩双联拱隧道不同施工环节围岩压力释放率进行研究，结果表明初期支护特别是锚杆对地应力的瞬间释放率比较敏感，中隔墙对地应力的瞬间释放率敏感程度较小；李俊[8]通过建立二维有限元模型对联拱隧道的围岩稳定性进行分析，得出一些关于曲中墙与直中墙联拱隧道的不同施工方法和联拱隧道监控量测方面的建议，对联拱隧道的设计与施工有一定指导意义；杨果林等[9]对复合式曲中墙墙身应力及墙底压力发展与分布规律的研究结果表明，中墙荷载主要由主洞上台阶的开挖产生，中墙最不稳定状态出现在主洞的非对称开挖阶段，且强度不是中墙设计的控制因素；葛雨晨[10]采用Midas/GTS软件对白涛隧道群的具体特点进行施工数值模拟分析，确定隧道施工关键工艺参数，依据施工监测数据确定二衬合理支护时机；牛牟[11]采用ANSYS有限元分析软件对连拱隧道不同施工工法进行数值模拟，并对现场实测监控数据进行对比分析，结果表明有限元数值模拟结果较实测结果偏小，呈现的规律和趋势可为施工提供依据。

虽然国内外对联拱隧道均有研究，但是对于浅埋大跨度双联拱隧道的近距施工引发的围岩变形规律研究较少，因此，本文采用ABAQUS软件建立大跨度双联拱隧道模型，分析施工过程中隧道的变形和应力变化规律，从而为大跨度双联拱隧道的设计、施工、支护提供参考。

1 工程实例

1.1 隧道工程概况

广东惠州市某隧道起止里程为K8+160～K8+480 m，隧道长约320 m；隧道穿过丘陵山脊，隧道轴线方位约62°；西洞口自然斜坡较稳定，植被发育；东洞口堆积采石场排弃的大量填土，极不稳定。隧道地处剥蚀丘陵地貌区，标高76.33～136.49 m，相对高差60.16 m；西洞口地形坡角一般在15°～30°，东洞口坡角在30°～45°；岩层产状3 500∠750，线路所经地区位于区域构造华南准地台东南沿海断褶带的博罗—紫金北东向构造带西段，构造复杂，隧道围岩残坡积粉质粘土层、全风化～强风化粉砂岩，围岩级别定为Ⅴ级；强风化凝灰质砂岩属于较软岩，岩体破碎，岩石风化程度强烈，裂隙极为发育，岩石破碎，稳定性较差，围岩级别定为Ⅳ级。

1.2 隧道施工工序

联拱隧道净宽分别为16.55、14.35 m，净高分别为10.27、9.61 m，隧道洞口段位于浅埋地段，越往隧道中部埋深越大。隧道均采用“三导坑法”施工，即中导坑及中墙超前，先采用侧导坑+台阶法(环向台阶法)施工一侧隧道，当一侧隧道的二衬施工完成并超前30 m左右后，再开挖支护另一侧隧道，隧道开挖顺序如图1。

1—中导洞超前导管注浆支护；2—中导洞开挖；3—中导洞衬砌支护；4—中隔墙施工；5—左右导洞超前小导管注浆预支护；6—左右导洞开挖；7—左右导洞初期支护；8—左右洞超前小导管注浆预支护；9—左右洞留核心土开挖；10—左右洞拱中间部位初期支护；11—左右洞拱两边部位初期支护；12—左右洞核心土开挖；13—左右洞下部开挖；14—左右洞仰拱初期支护；15—浇筑左右洞仰拱衬砌；16—浇筑左右洞二次衬砌图1 双联拱隧道开挖施工顺序

双联拱隧道开挖顺序为图1中1～16，超前支护采用Φ42超前小导管，L为3.5 m，环向间距0.35 m，初期支护采用采用喷射混凝土及锚杆共同支护，锚杆布置从隧道两侧拱脚至拱顶对称布置，锚杆长度为3.5 m，设计仰角为15°[12-14]。

2 数值模型

本文研究以典型的大跨度双联拱隧道为例，选用ABAQUS有限元软件进行建模计算，采用二维平面应变模型对本工程典型断面进行模拟分析。隧道埋深约18 m，隧道围岩主要为强风化岩石英砂岩，有限元模型的计算范围为：上部取自然平面，下部取至隧道以下70 m，左右各取60 m;选取断面的边界条件为：两侧施加水平方向约束，底部施加垂直方向约束，地面自由。为了简化小导管注浆加固，模拟时将小导管注浆加固的围岩看做一个加固层，加固层的厚度S由下面公式进行简化，

S=l×tanΦ[15]，

(1)

其中，锚杆长度，l/m；锚杆倾角，Φ/°。

通过计算得到该加固区厚度为0.9 m。围岩加固的模拟方法通常是采用提高该岩体加固环形的粘聚力和摩擦角，围岩开挖应力释放采用在模拟隧道开挖过程中，而且围岩压力释放是一个连续的过程，因此，岩体应力释放的方式采用开挖瞬间释放40%，同时隧道的各开挖步骤以及左右线隧道开挖具有时间间隔，并且分步设置相应的施工时间及各工序的间隔时间，从而分析隧道进尺对隧道变形的影响。

选用摩尔库伦屈服准则模拟岩石材料，锚杆采用线单元模拟，材料各参数见表1，单元网格划分采用四节点平面应变积分单元CPE4R，锚杆网格划分方式采用B21(两结点平面线性梁单元)。单元划分如图2所示。

表1 模型各材料参数

图2 模型网格划分图

3 数值计算结果与分析

由于隧道在开挖之前长期受到重力作用处于平衡状态，进行隧道开挖必然使得围岩应力得到释放，从而引起隧道变形，直至达到新的平衡。在进行模拟隧道开挖前，首先进行地层的地应力平衡计算，先计算出模型仅在自重荷载作用下的围岩应力，并提取围岩应力(S11、S22、S33、S12、S13、S23)导入模型，作为初始应力，再按照施工工序进行隧道开挖。

3.1 位移场分析

由图3可知：隧道中导洞开挖及中导墙施工完毕，隧道变形主要是底部发生隆起变形，变形为1.5 mm；随着左线侧墙开挖完成，隧道最大位移发生在隧道拱脚处，土体隆起为3.3 mm；当隧道上台阶开挖后，隧道位移增大，拱顶向下发生沉降，变形为13 mm，同时隧道底部土体因应力释放而向上隆起，隧道核心土及下台阶开挖对隧道顶部的位移影响较小，但是底部土体隆起位移增大为7.9 mm；左线隧道开挖结束后围岩变形在隧道上方呈现“V”形。同理，左右线的净距较小，随着右线隧道开挖，围岩位移变化范围向右增大，同时由于左线隧道截面大于右线隧道截面，因此在右线隧道开挖后并未呈现为“W”形，且右线围岩变形小于左线变形，在中导墙上部发生了位移叠加现象；最终隧道开挖稳定时的最大位移在左线隧道顶部，约为12 mm。

图3 不同步序开挖围岩变形云图

为了进一步揭示隧道开挖的土层变形特性，选取地表水平为路径，提取竖向位移数据绘制图形，如图4所示。

图4 地表沉降变化曲线

由图4可知：地沉降随着开挖进行而增加，中导洞开挖完成后地表变形非常小；左线开挖完成后地表变形明显，左线隧道上方地表最大沉降为6.3 mm；左线开挖时，沉降区域主要发生在左线隧道两侧25 m范围内，并且隧道上方土体沉降沿左线中线对称分布。随着隧道右线开挖完成，土体沉降区域增大，同时由于左右线隧道断面形式不同，地表沉降不沿双线中心对称分布，右线开挖成型后地表最大沉降增至6.6 mm，右线开挖对地面的最大沉降影响较小，但对于右线上方土体的沉降影响明显。

3.2 应力场分析

隧道开挖将引起围岩应力重新分布，同时围岩应力也是评价施工方法优劣的重要标准[16]。图5为隧道开挖围岩竖向应力云图，从图5可以看出：中导墙开挖施工完成后，中导墙底部由于土体隆起而使导墙底部局部受拉，中导墙中部由于受到上部围岩压力作用而受压；随着开挖的进行，隧道围岩压力重新分布，当左线开挖完成后，围岩最大压应力为2.9 MPa，发生在左线中导墙腰部，同时仰拱和拱顶出现拉应力，为0.24 MPa；最终直到右线开挖完成，隧道的压应力主要还是发生在中导墙，压应力增大至3.5 MPa，隧道的仰拱和拱顶出现拉应力，拉应力增大至2.5 MPa。这表明中导墙在整个隧道开挖阶段不仅承受着隧道顶部传来的荷载，还要受到各种方向施工荷载的反复作用，因此，应在施工中对中导墙加强监测。

图5 不同步序开挖围岩竖向应力云图

3.3 塑性区域分析

随着隧道开挖的进行，围岩塑性区域的大小分布如图6所示。从图6可知：隧道中导墙开挖完成后，整个隧道并未出现塑性区域。当左线隧道开挖完成后，塑性区域主要发生左线隧道左侧范围内，并且在拱腰位置塑性变形最大为0.48 mm；同时在中导墙左上方和左下方也出现一定范围的塑性区域。当右线开挖完成后，左线隧道的塑性范围增大，右线隧道右侧及中导墙右上方及底部出现塑性范围，最后塑性变形发生在中导墙左上方，为0.52 mm。总体而言，左线隧道截面大于右线隧道截面，所以隧道开挖完成后塑性区域左线的范围大于右线的范围。