基于数值模拟对隧道施工过程的研究

袁海梁，郑超杰

(1.中国化学工程重型机械化有限公司，北京 大兴 102600；2.江西交苑工程检测有限公司，江西 南昌 330013)

0 引 言

我国经济的发展促进了各个行业的进步，新技术新科技不断被研发及推广。其中，隧道工程及地下工程发展最为突出，但由于我国地质构造复杂[1]，人们对隧道及地下工程的建设施工安全及风险的管理越来越重视，诸多学者纷纷开始对隧道及地下工程的施工方法进行研究。其中，L.V.Rabcewicz[2]等人基于长期的工程实践提出了新奥法施工方案。德国学者1981年在德国慕尼黑地铁的施工中采用了CD法进行隧道施工，这是该技术的首次应用。奚正兵[3]等人通过数值模拟软件对隧道开挖的过程进行模拟，结果表明在相同条件下采用不同的开挖方法，地表变形、塑性区分布、地层分层沉降的规律将会因施工方法的不同而不同，最后通过模拟结果提出具体的施工技术方案。胡群芳[4]等人对大量不同地质条件进行分析研究，最后提出随机分布概率理论，并将该理论应用到隧道的风险管理中，计算出风险发生概率。

1 隧道工程施工的力学原理及施工方法

1.1 围岩的初始应力计算

围岩的初始应力是指隧道在未开挖时，岩体的初始静应力，此时的静应力主要与岩土的物理性质、构造、重力、环境温度及地形有关，此外还与人类活动、地壳运动因素有关。关于初始应力的如下列计算公式所示

σ=σy+σt

(1)

式中：σy为自重的应力分量,kPa；σt为地质构造的应力分量,kPa。

由于目前对地质构造的应力分量的计算较困难，对此需对岩体进行假定，即假定岩体为半无限体，只考虑重力应力。上式可以变换为式(2)。

假设取岩体H深度的某单元体

(2)

式中：σz，σy，σz分别为单元体在x，y，z三个方向的应力,kPa；γ为岩体容重,kN/m3；H为距离地表的深度,m；λ为测压的系数。

1.2 围岩开挖后的应力计算

因为隧道的开挖，导致初始的围岩应力平衡状态被打破，为达到新的平衡状态，围岩将发生变形及位移，称这个变化的过程为应力重分布[5]。

图1 开挖后围岩应力计算的示意图

公式如下所示

(3)

结合弹性力学理论，当不考虑围岩的初始应力产生的位移时，对轴对称的围岩位移可以用下式计算。

(4)

式中：P为垂直应力,kPa;u为水平位移,m;v为竖向位移,m;r为隧道半径,m;G表示自重,kN。

1.3 隧道施工方法介绍

隧道开挖的施工方法分类及特点具体如表1及表2所示。

表1 隧道施工方法分类及特点

表2 隧道施工方法分类及特点

2 不同施工方法的数值模拟

2.1 仿真模拟的建立

本文中采用FLAC3D有限元软件来进行对隧道开挖采用不同的施工方法进行模拟。本模型中的本构模型采用摩尔-库伦模型，初期支护采用shell单元，二次衬砌采用zone单元，均按各向弹性模型来进行分析，锚杆采用Cable单元，二次衬砌采用混凝土强度等级为C30。模型中的具体参数如表3所示。

表3 模型参数设置表

本次模型中隧道顶距离地表的距离为20 m，隧道模型的大小为110 m×60 m×3 m，底部施加竖直方向的约束，左右两边施加水平约束，顶面为自由面，对全断面法及台阶法的施工方法进行模拟。

2.2 全断面法模拟结果分析

对全断面法的模型步骤为三步，第一进行岩体内部开挖计算，第二进行初期支护技术，第三进行二次衬砌施工技术。对全断面法的模拟结果进行分析，模拟结果如图2所示。

图2 全断面法位移曲线图

从图2可知，采用全断面开挖隧道的方法将会使隧道的竖向位移呈现左右两边对称分布，而水平的位移值则刚好相反，拱顶处的竖向下沉值约8.2 mm，并且沉降值从拱顶向两端减小，而拱底的竖向起拱值约3.8 mm，起拱值由拱底向两端较小，水平位移则相反，在拱底和拱顶处的水平位移约0，然后向两侧增大，最大水平值约4.0 mm，这主要是由于顶部的围岩挤压隧道顶部，使其下沉，然后隧道顶部向两侧传递荷载，使隧道两侧产生水平方向的位移，而底部则在两端的挤压及下部的挤压下向上隆起。

2.3 台阶法模拟结果分析

台阶法开挖隧道是目前隧道工程中常用的方法，台阶法的模拟步骤分五步。第一步进行第一个段面的开挖计算，第二步进行上部初级支护计算，第三步进行第二个断面开挖计算，第四步进行下部初级支护计算，第五步进行衬砌施工的计算，对台阶法的模拟结果进行分析，模拟结果如图3所示。

图3 台阶法位移曲线图

从图3中可以看出，采用台阶法开挖隧道的方法将会使隧道的竖向位移呈现左右两边对称分布，而水平的位移值则刚好相反，拱顶处的竖向下沉值约7.5 mm，并且沉降值从拱顶向两端减小，而拱底的竖向起拱值约2.8 mm，起拱值由拱底向两端较小，水平位移则相反，在拱底和拱顶处的水平位移约0，然后向两侧增大，最大水平值约3.8 mm，这主要是由于当上台阶开挖后隧道围岩出现较大的断面，岩土受到扰动，导致上部围岩失去支撑发生大量的沉降，而拱底由于还未进行开挖，所以产生隆起，当初期的支护结构施工时，洞口形成封闭形态，岩土的应力得到重新分布，而上部的围岩进入新的平衡状态，当下台阶进行开挖后，对隧道的影响较小。因此对于采用台阶法施工的隧道工程，应针对上台阶的开挖进行加强控制，以保证围岩的变形得到控制。

3 结 语

本文阐述了隧道工程的施工力学原理及施工方法，并通过FLAC3D有限元软件对采用不同施工方法抗隧道工程的施工安全进行分析研究。结果表明，隧道在开挖的过程中拱底和拱顶的竖向位移最大，而在拱脚处的水平位移最大，因此在开挖隧道时应对拱顶及拱底进行加强控制。同时从全断面与台阶法的施工方法来看，台阶法开挖隧道对隧道围岩的影响较小，因此在不影响工期的前提下，可以采用台阶法来施工。