荷载调节作用下隧道围岩影响数值模拟
2022-03-31姚哲超程梁黄城陆卓辉白炳捷张振亚
姚哲超 程梁 黄城 陆卓辉 白炳捷 张振亚*
（1.宁波工程学院建筑与交通工程学院 浙江宁波 315211；2.菏泽鑫盛路桥公路工程有限公司山东菏泽 274000）
隧道开挖时，在外部荷载的作用下，围岩与初期支护的相互作用机理及开挖过程中应力释放量的理论计算和实验研究都是困难的［1-3］。开挖的作业面较大，监测每个关键位置的应力和变形是个挑战。同时，开挖过程中，获得精确的应力释放量是计算达到平衡时围压和初期支护的应力和变形规律的关键。基于功能完善的有限元分析软件和高性能的计算机硬件，对隧道开挖过程进行详细的力学分析和准确描述［4-6］，以获得整个开挖过程尽可能真实的受力信息，就可以在施工阶段对可能出现的各种问题进行安全评判和施工参数优化，可见有限元分析在隧道开挖施工和参数优化有着至关重要的地位和优势［7-8］。
1 有限元软件
Midas GTS NX（New eXperience of Geo-Technical analysis System）是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件［8］，支持静力分析、动力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、固结分析、施工阶段分析、边坡稳定分析等多种分析类型，适用于地铁、隧道、边坡、基坑、桩基、水工、矿山等各种实际工程的准确建模与分析，并提供了多种专业化建模助手和数据库。
2 问题描述
计算模型采用标准3车道公路隧道断面，如图1所示。隧道埋深70m，Ⅳ级围岩，围岩参数见图1。
图1 车道公路隧道断面图
施工过程采用台阶法，如图2所示，即先开挖上半部分，然后施做初期支护，后续再开挖下台阶，施做下部初期支护。台阶长度40m。隧道开挖阶段，应力释放比例为：开挖释放30%，初期支护承担50%，剩余20%由二次衬砌承担。因此，本次计算只考虑初期支护，释放荷载为总荷载的50%。荷载调节器安装位置如图3（a）、图3（b）所示。
图2 台阶法施工图
图3 荷载调节安装示意图
13 个调节器下部是液压油缸，利用高压油管连接，油缸活塞的半径分别为10cm、12cm、14cm。初始阶段（50%围岩荷载施加前），调节系统油路施加压力为5MPa、8MPa 和10MPa，后续释放围岩荷载，任其自动调整。数值计算该情况下隧道初期支护和围岩的受力、变形的变化规律，能够获得最佳的调节装置的参数。
3 有限元分析
有限元三维模型如图4所示，模型按照图1和图3的几何尺寸建立，共有3 层，最外层为土层，中间层为围岩，内层为初期支护。模型的长度为10m，围岩采用的是岩土轴对称单元，初期支护采用的植入式梁单元，单元一共有34 875个。围岩承受的荷载是上部土层的自重和初期支护的作用，加载模型如图5所示，内层为荷载调节器加载位置，从开挖到结束，应力释放比例为：开挖释放30%，初期支护承担50%，剩余20%由二次衬砌承担，计算围岩和初期支护及荷载调节器的联合作用下达到平衡的变形和应力状态，分析荷载调节器的相关参数的影响。围岩采用的摩尔库伦本构和IV中的物理参数，而调节金属装置架采用的弹性本构模型，杨氏模量采用的210GPa，泊松比是0.3，密度是7.8g/cm3。计算过程中，围岩与初期支护会自动接触，设置载荷步按照开挖应力释放30%，初期支护承担50%来计算，相当于围岩施加20%的预应力，不考虑锚杆和二次衬砌的作用。
图4 有限元模型
图5 加载模型
4 结果及分析
初始阶段（50%围岩荷载施加前），调节系统油路施加压力为5MPa、8MPa 和10MPa。在压力为5MPa下，计算结果如图6至图12所示，当调节系统油路施加的压力荷载为5MPa 时，加载后，初期支护的变形如图6和图7所示，X轴表示节点序号从左到右，Y轴表示变形量。从图上可以看出，序号2～5 和9～12 的位移基本一致，大约为0.1mm，其他序号点的位移为0，变形云图的显示也很明显，支护前后的变形变化很小。加载后的初期支护的应力如图8、图9所示，加载前的应力水平很低，还不到200kPa；加载后，最大应力达到1.4MPa左右，有了一个明显的提升。加载前后支护应力变化是先增大后稳定一段，然后又减小，加载前后支护应力的变化量最大达到1.3MPa左右。
图6 加载后初期支护变形
图7 变形云图
图8 加载前后支护应力变化
图9 支护Mises应力云图
围岩的变形规律如图10至图12所示，在围岩上等距离取得点，变形为0 和0.1mm 交替，最大变形为0.1mm，中间作用点位置的变形为0。Mises 应力从图上看出应力变化呈很对称，隧道的最下面的应力最大，应力为2.5MPa，应力变化规律是先减小后增大后又减小，中间隧道顶处应力最小，应力为400kPa左右，加载前后相对开挖步的变化也很小，应力不超过50kPa。当压力荷载为8MPa 时，中间隧道顶处应力最小，应力为400kPa 左右，围岩加载后，相对开挖步的应力变化量很小，最大应力值70kPa 左右。当压力荷载为10MPa 时，中间隧道顶处应力最小，应力为300kPa 左右，加载前后相对开挖步的应力变化约为90kPa。
图10 加载后的应力
图11 加载前后相对开挖步的变化
图12 Mises 应力云图
5 结论
通过用Midas GTS NX 对开挖后荷载调节器作用下围岩、初期支护的变形和应力分析，得到如下结论。
（1）当调节系统油路施加的压力为5MPa 和8MPa时，围岩和初级支护的变形规律是一致的，变形量在0～0.1mm 的范围内交替，最大为0.1mm。当施加荷载为10MPa时，围岩的变形趋近于0.1mm。
（2）初期支护应力变化呈很对称，隧道的最下面的应力最大，应力变化规律是先增大后又减小，两边起始位置应力最小。而围岩应力变化呈很对称，隧道的最下面的应力最大，应力变化规律是先增大后又减小，两边起始位置应力最小。
（3）当调节系统油路施加的压力为5MPa、8MPa和10MPa 时，荷载调节器都起了一定的作用，使变形更小，应力分布更加均匀。基于计算结果，当调节系统油路施加的压力为10MPa时，效果更佳。
