基于Abaqus的惠龙高速红花顶隧道施工研究

刘昌盛，吴东炎

(广东鸿高建设集团有限公司，广东 东莞 410076)

0 引言

近20年，隧道工程的建设无论是隧道长度还是规模都在不断刷新着世界纪录，在科研、设计或者施工过程中遇到的技术问题在不断被解决。在高速铁路隧道的规模上，特长大断面高速铁路隧道的建设技术也得到了解决，多年的工程实践中也积累了大量经验，大量新技术、新工艺、新理念被提出和广泛运用,为设计隧道遇到的问题提供了很多有效的解决办法。从公路隧道设计理念上来看，基本上已从荷载-结构理论转化到了围岩-结构理论，设计方法上也从传统的工程经验为主导，过渡到了“数值模拟分析+经验对比”法，同时更加重视安全运营环境与工程环境的保护；从建设工法上看，钻爆法仍然是主流，盾构法紧随其后，沉管法也越来越受到青睐，反之明挖法隧道越来越少；同时辅助工法如冷冻法、水平旋喷加固、管幕法等也多有应用。钻爆法更多地倾向于大断面开挖以减少多次扰动围岩，并发挥机械化施工的优势[1]。代表性的工程为秦岭终南山隧道(钻爆法，18.02 km)、上海长江隧道(盾构法)、港珠澳海底隧道(沉管法)、珠海拱北隧道(管幕冻结暗挖法)。

然而，在对于公路隧道的设计与施工中，仍然会出现一些问题，这些都亟待我们在后期工程理论实践以及相关的科研中予以继续改进与完善[2]。

惠龙高速红花顶隧道正是利用新的技术与理念选择合理的施工方法，然后运用Abaqus进行模拟，更加保证了隧道的稳定性与安全性。

1 工程概况

1.1 项目概况

拟建红花顶隧道为分离式隧道，洞室净空(宽×高)15.59 m×8.0 m，起讫桩号左线ZK50+250～ZK51+346，左线长度为1 096 m；右线K50+260～K51+364，长度为1 104 m；对于进出洞口标高进行分别设置，左线进洞口设计标高87.72 m，出洞口设计标高设置为80.32 m；右线进洞口设计标高为87.57 m，出洞口设计标高设置为80.28 m。隧道左线最大埋深为142.95 m、隧道右线最大埋深为144.26 m，红花顶隧道属于长隧道。

隧道进出口的坡脚均可由乡村道路抵达，隧道周边的交通状况一般。

1.2 工程地质条件

1.2.1 地理位置

拟建红花顶隧道位于广东省惠州市博罗县泰美镇与惠城区汝湖镇交界，进口位于博罗县泰美镇东坑村扁排岭附近，出口位于惠城区汝湖镇大良村还里附近。

1.2.2 工程地质条件评价

在施工过程中，为了降低地质灾害发生的几率和危害程度，保证隧道施工安全，对红花顶隧道进行了超前地质预报分析。预报信息表见表1。

表1 预报信息表

针对红花顶隧道的断面形式及现场掌子面施工情况在掌子面布置测线。测线布置如图1所示。

超前地质预报结果如表2所示。

表2 超前地质预报结果分析

1.3 水文地质条件

1.3.1 地表水

该地区地表水存量不多，大部分是降水形成的地表水。径流条件好，将隧道的进出口位置设置在斜坡上，较高的高度使其拥有充分的汇水面积。不过雨季来临时依然对施工存在干扰，需要提前采取相应的疏流措施。

1.3.2 地下水

地下水的组成主要为粉质黏土和裂隙发育充分的碎石土中的孔隙水，因此存水量的大小主要由裂隙程度控制，而裂隙程度又受到季节的影响。另外地下水主要由大气降水补充，而该地区的岩层风化严重，结构面发育充分，大气降水通过岩层可以渗流进入地下，因此地下水存量充足，在隧道施工时会容易发生突涌现象。

另据该地层地下水水样分析结果得到以下结论：pH=5.85，侵蚀性CO2=12.098 mg/L，HCO3-=0.12 mmol/L。

根据JTG C20—2011公路工程地质勘察规范可以看出[3]，该地区的地下水具有轻微的腐蚀性，对于混凝土和钢筋等都有一定的影响。

2 隧道开挖过程数值模拟

2.1 Ⅴ级围岩

Ⅴ级围岩隧道模型见图2，网格模型见图3。设置隧道各参数如下：围岩容重：γs=20 kN/m3；弹性抗力系数：K=200 MPa；泊松比：μ=0.45；围岩埋深：h=50 m。

在有限元模拟过程中，首先创建部件，定义部件材料性能、截面，装配部件；然后创建施加重力荷载的分析步，在分析步中将时间长度设为1，将增量中的初始增量步大小设为0.1，最大增量步设为0.2，之后定义相互作用、边界、荷载条件；最后划分网格，分析结果。

2.2 Ⅳ级围岩

Ⅳ级围岩建模过程同Ⅴ级围岩模型类似，设置隧道各参数如下：围岩容重：γs=23 kN/m3；弹性抗力系数：K=500 MPa；泊松比：μ=0.35；围岩埋深：h=150 m。

由于选用Ⅳ级围岩埋深为150 m，故需在定义边界、荷载条件中施加一个2 300 kN/m2的堆土荷载。

3 结果分析

3.1 Ⅴ级围岩输出结果

图4为Ⅴ级围岩输出结果。由图4可知，Ⅴ级围岩段地表沉降最大位移为7.978 mm，小于地表沉降允许值。

3.2 Ⅳ级围岩输出结果

图5为Ⅳ级围岩位移云图。由图5可知，Ⅳ级围岩段地表沉降最大位移为19.159 mm，小于地表沉降允许值，认为是由于Ⅳ级围岩埋深比Ⅴ级围岩的大，所以Ⅳ级围岩段地表沉降最大位移较大。

3.3 开挖方法对比

3.3.1 Ⅴ级围岩全断面法与环形开挖留核心土法对比

基于Abaqus软化模量法的Ⅴ级围岩环形开挖留核心土法的建模过程与上述全断面法的类似，最终施工模型如图6所示。

图7为Ⅴ级围岩环形开挖留核心土法开挖水平及竖直方向位移云图。

根据图7可得，Ⅴ级围岩段采用环形开挖留核心土法开挖的地表沉降最大位移为6.864 mm。

将Ⅴ级围岩段全断面法和环形开挖留核心土法的地表沉降位移最大值整理，见表3。

表3 地表沉降位移最大值

由表3可知，根据地表沉降的数据，Ⅴ级围岩段采用环向开挖留核心土法开挖比全断面法开挖位移小，开挖后围岩更加稳定，所以本隧道Ⅴ级围岩段选用环形开挖留核心土法开挖更加合理。

3.3.2 Ⅳ级围岩全断面法与短台阶法对比

基于Abaqus软化模量法的Ⅳ级围岩短台阶法的建模过程与上述全断面法的类似，最终施工模型如图8所示。

图9为Ⅳ级围岩短台阶法沉降位移图。由图9可知，Ⅳ级围岩段采用短台阶法开挖的地表沉降最大位移为18.100 mm。

将Ⅴ级围岩段全断面法和环形开挖留核心土法的地表沉降位移最大值整理，见表4。

表4 地表沉降位移最大值

由表4可知，根据地表沉降的数据，Ⅳ级围岩段采用短台阶法开挖比全断面法开挖位移小，开挖后围岩更加稳定，所以本隧道Ⅳ级围岩段选用短台阶法开挖更加合理。

为了使数值模拟结果更具有说服力，现将现场对地面沉降监控量测结果进行比对。图10为沉降点布置横断面图。

将数据进行整理后得到表5。由表5可知，监控量测结果与数值模拟结果基本吻合，证明此模型具有一定的参考价值。

表5 地表下沉量测结果

4 结论

本文以红花顶隧道为研究对象，首先使用数值模拟技术得出Ⅳ级、Ⅴ级围岩段地表沉降最大位移，然后通过比较确定其开挖方法，同时提出本文不足之处[4-5]。最后得到结论如下：

1)Ⅴ级围岩段采用环向开挖留核心土法开挖比全断面法开挖位移小，开挖后围岩更加稳定，所以本隧道Ⅴ级围岩段选用环形开挖留核心土法开挖更加合理。Ⅳ级围岩段采用短台阶法开挖比全断面法开挖位移小，开挖后围岩更加稳定，所以本隧道Ⅳ级围岩段选用短台阶法开挖更加合理。

2)为了简化建模，本设计数值模拟采用二维模型，结果分析不如三维模型分析更精确。

3)在本设计施工模拟中，没有设计支护条件，对模拟结果会造成一定影响。

4)实际施工现场会有各种不确定性，因此数值模拟不能完全符合实际情况，所以数值模拟的结果只能作为施工的参考，不能作为施工标准。