隧洞施工诱发沉降的数值模拟分析

2022-10-31沈立群史小诗熊峻巍

水电与新能源 2022年10期

沈立群，史小诗，熊峻巍

(1. 湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉 430070； 2. 武汉大学水利水电学院，湖北武汉 430072)

鄂北地区水资源配置工程是以城乡生活、工业供水和唐东地区农业供水为主的一项大型水资源配置工程，可解决鄂北地区水资源短缺问题，满足鄂北受水区生活、生产以及生态用水需求，是促进鄂北地区经济社会可持续发展的战略性基础工程。该工程自丹江口水库清泉沟取水，自西北向东南横穿鄂北岗地，途径襄阳、随州等地，止于孝感王家冲水库。

随岳隧洞是鄂北地区水资源配置工程的众多隧洞之一，隧洞长0.20 km，进口上接张家湾明渠，出口接封江水库。隧洞沿线地面高程125.09～153.68 m，围岩为青白口系～震旦系绢云钠长石英片岩，主要属V类围岩，无断层和破碎带。隧洞断面设计为马蹄形，断面净尺寸为5.8 m×5.8 m。隧洞自西向东下穿随岳高速公路，其开挖顶部高程距随岳高速最小距离约为13.0 m。

随岳高速是按最高标准设计的高速公路，采用上柔下刚复合式沥青混凝土路面，在随岳隧洞施工期无交通断流条件，而在开挖过程中，由于开挖扰动的影响，可能导致高速公路路面会出现较大沉降，影响交通安全，甚至出现重大安全事故。因此，为确保隧洞施工及高速公路运行安全，有必要研究隧洞施工过程中的地面沉降规律。本文基于ABAQUS有限元软件，采用数值模拟的方法研究了隧洞施工诱发沉降的相关问题，对指导类似工程的安全生产有重要意义。

1 数值分析模型与参数

1.1 模拟方法

采取CAD/CAE集成分析方法，根据工程施工图在CAD软件中建立整体三维模型，并选取Hypermesh有限元前处理平台进行模型处理和网格划分，模型完成剖分后导入ABAQUS软件平台进行模拟分析[1]。

1.2 数值模型

根据1.1节所述方法，建立随岳隧洞段施工区域三维有限元模型如图1所示，隧洞三维支护结构如图2所示。其中覆盖层、围岩、喷混、衬砌、公路采用实体单元模拟，钢筋网、锚杆采用杆单元模拟，钢拱架采用梁单元模拟，并赋予不同的材料参数。

模型基础沿洞轴线方向和垂直洞轴向方向均长90 m，基础下表面进行全约束，四周各面采用法向约束，顶部自由。

图1 随岳隧洞段施工区域三维有限元模型图

图2 随岳隧洞三维支护结构示意图

计算过程中考虑初始地应力平衡过程，为了进行开挖施工过程的动态模拟，利用生死单元法分步移除和添加不同的单元。每一个开挖和支护循环为一个计算步，其中衬砌施工步滞后于开挖与支护施工步，随岳隧洞施工区域共分210个计算步。图3为某开挖支护循环的过程示意图，其他的施工步与该循环过程相同。

图3 某开挖支护循环的施工过程模拟图

1.3 计算参数与工况

本次计算模型均采用线弹性本构模型。根据随岳隧洞区域地质资料及施工资料，计算中喷混、衬砌和公路采用混凝土材料，钢拱架、钢筋网和锚杆采用钢筋材料，计算区域的围岩均属于Ⅴ类围岩。参考背景资料和相似工程[2-5]，围岩、公路以及喷混、衬砌等支护结构的各项计算参数如表1所示。

在数值计算中，为研究隧洞开挖诱发的地面沉降规律，计算工况针对施工期的各种情况，考虑衬砌距掌子面距离、开挖进尺、断面开挖方案、拱顶注浆和车辆荷载多种因素的影响，具体工况见表2。

表1 模型计算参数表

表2 数值计算工况列表 m

2 隧洞开挖施工期的沉降规律

以开挖掌子面到达随岳高速轴线正下方的第42开挖步作为典型分析步进行施工期沉降分析。图4为施工期隧洞顶拱监测点布置示意图，图5为路面监测点布置示意图。

2.1 开挖进尺的影响

以额定车辆荷载作用、衬砌距掌子面间距为20 m、存在顶拱注浆的全断面开挖为典型情况，计算开挖进尺分别为1、2 m下的沉降量，得到隧洞拱顶各监测点、路面监测点沉降量受开挖进尺的影响曲线，其中1 m开挖进尺结果如图6所示。

图4 隧洞顶拱监测点布置示意图

图5 路面监测点布置示意图

图6 1 m进尺下隧洞顶拱及路面各监测点沉降曲线图

数值模拟结果表明，不同开挖进尺下的拱顶变形监测点、路面变形监测点的沉降变化规律相同：①当掌子面尚未到达监测点正下方时，相邻开挖步之间的沉降量之差较小；当掌子面接近路面监测点正下方时，相邻开挖步之间的沉降量之差明显增大，且在掌子面到达顶拱监测点正下方时，相邻开挖步之间的沉降量之差会发生突变。拱顶变形突变是由于开挖荷载引起的，而路面沉降位移突变是开挖和车辆荷载共同作用的结果；②拱顶和路面不同监测点的最终沉降量存在一定差别，前者是由地层不均匀性造成的，后者是因为各监测点距隧洞对称线距离不同导致的，H监测点距离对称线最近，故沉降量最大。

模拟结果表明当施工开挖进尺从1 m增加至2 m后，隧洞顶拱测点和路面测点的最终沉降量均有明显增加。监测点A最终沉降量在1 m的开挖进尺下为7.70 mm，在2 m的开挖进尺下为14.03 mm；监测点H最终沉降量在1 m的开挖进尺下为4.55 mm，在2 m的开挖进尺下为5.83 mm。

2.2 衬砌距掌子面距离的影响

以额定车辆荷载作用、1 m施工进尺、考虑顶拱注浆的全断面开挖为典型情况，计算衬砌距掌子面距离分别为20、10、5 m和无衬砌情况下的施工诱发沉降，得到隧洞拱顶监测点和路面监测点沉降曲线，其中路面监测点H沉降过程如图7所示。

图7 不同衬砌距掌子面距离下路面监测点H沉降量

模拟结果表明隧洞顶拱监测点和路面监测点的沉降对衬砌距掌子面距离的敏感度相近，两者受衬砌距掌子面的距离的影响很小，且无衬砌时的沉降值稍大于衬砌距掌子面距离为5、10、20 m的沉降值。隧洞顶拱监测点A最终沉降值在7～8 mm浮动；路面监测点H的最终沉降值稳定在4～5 mm间。

2.3 断面开挖方案的影响

以额定车辆荷载作用、1 m开挖进尺、衬砌距掌子面间距为20 m同时考虑顶拱注浆为典型情况，研究不同断面开挖方案的影响，包括全断面开挖和断面分部开挖。提取隧洞拱顶监测点A和路面监测点H沉降曲线分别如图8、图9所示。

图8 不同开挖方案下顶拱监测点A沉降量

图9 不同开挖方案下路面监测点H沉降量

分析不同开挖方案下各监测点的沉降量，研究发现断面分部开挖时的沉降变化规律与全断面开挖时相同，而最终沉降量小于后者。如图8和图9所示，顶拱监测A点的最终沉降量在全断面开挖下为7.70 mm，在断面分部开挖下减小为5.52 mm；路面监测H点的最终沉降量在全断面开挖下为4.55 mm，在断面分部开挖下降至3.02 mm。

2.4 拱顶注浆的影响

以额定车辆荷载作用、1 m开挖进尺、衬砌距掌子面间距为20 m及全断面开挖为典型情况，研究拱顶注浆与否对沉降规律的影响。提取隧洞拱顶监测点A和路面监测点H受拱顶注浆影响的沉降曲线分别如图10、图11所示。

数值模拟研究发现顶拱注浆与否对监测点的沉降变化规律影响较小，但最终沉降量表现出差异。如图10和图11所示，拱顶监测点A在有顶拱注浆下的最终沉降量为7.70 mm，在无顶拱注浆下为9.68 mm；路面监测点H在有顶拱注浆下的最终沉降量为4.55 mm，在无顶拱注浆下为5.60 mm。

图10 不同拱顶注浆条件下监测点A沉降量

图11 不同拱顶注浆条件下路面监测点H沉降量

2.5 车辆荷载的影响

以1 m施工进尺、衬砌距掌子面间距为20 m、同时考虑顶拱注浆的全断面开挖为典型情况，研究车辆荷载对监测点沉降量的影响，得到了在不施加荷载、施加额定载重的等效车辆荷载、施加超载100%的等效车辆荷载和施加超载200%的等效车辆荷载4种工况下的隧洞拱顶监测点A和路面监测点H沉降规律，分别如图12、图13所示。

由图12和图13可知：在未施加车辆荷载时，各开挖步的沉降量相同、且隧洞顶拱监测点和路面监测点的沉降对车辆荷载超载情况的敏感度不同。对于隧洞顶拱监测点，其沉降曲线受车辆荷载超载的影响不大，最终沉降值分别为7.41、7.69、7.89 mm和8.08 mm；而对于路面监测点，由于车辆荷载直接作用在路面上，其沉降曲线受车辆超载的影响较大，无超载、超载100%和超载200%引起的路面监测点沉降突变值分别为1.0、1.6 mm和2.2 mm，最终沉降值分别为3.59、5.16 mm和5.78 mm。