金家楼隧道施工过程的数值模拟分析

苏子龙,孔 强

(山东省路桥集团有限公司,山东 青岛 266000)

0 引言

伴随着社会经济的飞速发展，我国交通运输业和工程项目建设的规模和数目持续提升，隧道建设展现出十分明显的增长趋势。目前，在针对隧道围岩稳定性的研究领域中，人们采用了许多方法进行研究，主要有理论分析、数值模拟、模型试验等方法。谷拴成等[1]利用数值模拟，基于吉祥村暗挖区间隧道工程，对台阶法和CRD法进行模拟分析，研究了两种施工方法下的围岩变形规律。陈云腾、孙振华[2]以陈家山隧道为研究背景，用ABAQUS软件进行了数值模拟，并通过对各种施工条件下的开挖过程进行比较分析，深入研究了各种施工方式对隧道围岩稳定性的影响。柳越文[3]对贺州至巴马高速公路(都安至巴马段)弄拉隧道、伏龙隧道的锚杆布置方式进行分析，并对Ⅲ级，Ⅳ级围岩下采用不同系统锚杆使用方式进行模拟计算，研究了隧道围岩不同锚杆参数下的稳定性。关玲[4]以重庆某高速公路为研究背景，采用ANSYS分析了台阶法和全断面开挖法两种开挖方式对高速公路隧道围岩稳定性的影响，得出了台阶法比全断面法对隧道围岩扰动较小的结论。邵珠山等[5]以集呼高速公路隧道为研究背景，采用ABAQUS对隧道开挖进行数值模拟，并结合隧道实测数据，研究了大跨度软岩隧道围岩的稳定性影响因素。王辉[6]以ABAQUS为平台，借助Python语言编程，提出一种针对浅埋隧道埋深及坡度对围岩稳定性的敏感性分析方法，为浅埋隧道的设计及施工提供了一定的指导。黄明等[7]以沪昆高速公路灯草塘隧道为研究背景，采用有限差分软件对隧道围岩稳定性进行了模拟研究，并提出了一些采空区空洞处置及围岩加固措施。肖涛[8]选取拱石山隧道为研究背景，采用有限元软件对隧道断面进行研究，研究了不同围岩级别下的岩体变形和空间分布规律，以及施工过程中最不利的变形和受力部位及空间分布特征。傅志超[9]将BIM模型与GIS模型进行数据融合，依据实际公路隧道建立隧道地质模型、结构模型、监测点，研究了融合转换流程及主要的融合开发思路和功能点。

1 工程概况

拟建金家楼隧道工程位于临胸县金家楼村东南1 000 m处，隧道左线轴线起止桩号为ZB1K104+809.5～ZB1K105+662，长852.5 m，隧道右线轴线起止桩号为K104+792～K105+605，长813 m，为双向六车道分离式中隧道。隧址区海拔高程234 m～384 m，相对高差150 m左右，整体比较陡峭，隧道最大埋深约为120 m。

2 应用数值模拟技术的隧道应力、模拟分析

本节设计以金家楼隧道Ⅴ级围岩段(ZB1K104+928，埋深50 m)为例，隧道开挖内轮廓如图1所示，围岩岩体力学参数见表1。

表1 岩体物理力学参数

2.1 模型建立

取Ⅴ级围岩衬砌段埋深50 m处隧道构建模型，即所构建模型埋深50 m，X方向取宽度100 m，Y方向取长度100 m，隧道居于中轴线上，边界约束条件为：在模型左右两侧施加X方向位移约束，在模型底部边界施加Z方向位移约束，计算模型如图2所示。

2.2 不同施工方法及相应数值分析模型

针对金家楼隧道V级围岩段，选择全断面开挖法、台阶法、CRD法三种开挖方法进行数值模拟，通过对三种开挖方法的围岩变形情况来进行比较分析，最终得出最优的开挖方法。

如图3所示，全断面开挖法工序较为简单，即按照设计断面，将整个隧道进行开挖；如图4所示，本次模拟采用三台阶法进行开挖施工，将金家楼隧道断面分为3个部分，按照从上到下的顺序，依次进行分部开挖；如图5所示，采用CRD法，将隧道断面分为6个部分，先开挖隧道左侧的1,2部分，施作部分中隔壁和横隔板，再开挖隧道右侧的3,4部分，完成横隔板施工；然后再开挖左侧的5部分，并延长中隔壁，最后开挖6部分。隧道位移云图见图6～图8，隧道拱顶位移图见图9～图11。

如图6,图9所示，为全断面开挖法施工隧道竖向位移变化情况，隧道靠近轴线处沉降变形要明显大于隧道两侧的沉降变形，大致为中间大、两边小，对称分布，较为符合实际；如图7,图10所示，为台阶法施工隧道竖向位移变化情况，隧道靠近轴线处沉降变形要明显大于隧道两侧的沉降变形，大致为中间大、两边小，对称分布，较为符合实际；如图8，图11所示，为CRD法施工隧道竖向位移变化情况，隧道靠近轴线处沉降变形要明显大于隧道两侧的沉降变形，大致为中间大、两边小，对称分布，较为符合实际。

2.3 位移变形对比分析

拱顶沉降在隧道洞室开挖后位移变形如图12所示，不同施工方法引起的拱顶位移沉降是不同的，但均有一定规律。从三者大致趋势来看，其都变现为中间大、两边小，大致为对称变形；从单个方案来看，采用全断面开挖法，拱顶沉降值大约为48.250 mm；采用台阶法，拱顶沉降值约为16.134 mm；采用CRD法，拱顶沉降值约为16.079 mm。

初步表明采用全断面法要比采用台阶法或CRD法隧道产生的变形更明显，但从台阶法及CRD法两种开挖方式所产生的位移变形来看，两者在金家楼隧道模型中表现差距不大。因此，金家楼隧道Ⅴ级围岩段采取CRD法施工是较为适合的。

2.4 结果验证

为了验证结论的正确性，本节利用3DEC软件分别对全断面法、台阶法和CRD法进行开挖模拟；针对金家楼隧道，分析三种开挖方式隧道块体的垮塌数量，得出隧道最优开挖方式，看结果是否与ABAQUS软件是否一致，从而验证结论的正确性。基于3DEC软件的三种开挖方式隧道垮塌图如图13～图15所示。

利用3DEC软件中的FISH脚本，统计每种开挖方式的块体垮塌的数量与体积。块体垮塌数量依次为60,19,17，块体体积依次为33.34 m3,7.377 m3,5.449 m3。从结果可以看出采用全断面法开挖时隧道块体垮塌数量比台阶法或CRD法多，而台阶法和CRD法两者差别不大，综合考虑金家楼隧道Ⅴ级围岩段采取CRD法施工是较为适合的，与ABAQUS模拟结果相同。

3 结论与讨论

本文以金家楼隧道为依托，确定了其施工方式为新奥法，然后利用ABAQUS软件分别对全断面法、台阶法、CRD法进行相关模拟，确定其开挖方式为CRD法，并用离散元软件3DEC验证了模拟结果的正确性；在建立隧道开挖模型后，通过对隧道掘进过程的模拟，可以分析出衬砌以及围岩上的应力与位移，有助于我们预测开挖状态、在开挖过程中应力与应变的变化并帮助我们找出可能存在的问题，同时也可以为施工提供部分理论依据及一些参考。