隧道工程二衬安全性的数值模拟研究

郭晓龙

（湖北天堂湖国家湿地公园管理处,湖北 黄冈 438600）

1 引言

隧道工程在城市化进程中发挥着举足轻重的作用,对此学者们也进行了大量的研究,黄健辉[1]以某高速公路隧道工程为例,通过有限元数值分析了爆破振动对隧道运营安全的影响,并提出了防控措施。臧万军等[2]探究地震作用下隧道动力响应规律,并建立隧道理论计算模型,研究结果表明：相同工况下解析解得到的位移曲线是有效的。付艳斌等[3]以大直径盾构隧道管片上浮问题为例,研究大直径盾构管片上浮影响因素,并提出了管片上浮解析式,研究结果表明：隧道管片上浮解析解的计算结果与实际相符。周扬等[4]开展了列车荷载作用下隧道动力响应的研究,采用模型试验与数值模拟相结合的方法,对峰值加速度进行了研究,研究结果表明：超静孔隙水压力峰值随着测点的远近而变化。潘兴良[5]认为大直径泥水盾构在掘进时,易出现刀盘结泥现象,并以一实际隧道工程为例对结泥现象进行了研究,并提出了解决方案。欧峻领[6]认为如果需要提高水工隧道工程施工水平,应重点管控隧道混凝土施工环节,切实增强侧墙及拱顶施工效果。刘二利等[7]以某隧道主体结构为研究对象,采用模型实验对主体结构整体防水性能进行研究。研究结果表明：隧道主体混凝土结构及其防水工艺,在不超过4 m水深条件下是可靠的。吴桐等[8]为解决明洞偏压问题,通过分析可知,明洞偏压是由偏压地形造成的,可选用反压回填法对明洞段进行处治,处治结果表明：该方法是可行性。聂玉文等[9]针对软弱围岩的支护变形问题,提出锁脚桩支护结构,此结构改善了软弱围岩和支护结构的应力状态。刘维等[10]以苏州某矩形隧道为背景,分析舱内土体分布情况,并提出地层稳定的优化模型,实践证明：优化模型在受力方面是优于传统模型的。

然而以上的研究并没有分析双拱隧道在施工过程中的受力和位移,因此本文结合某双拱隧道工程,利用数值模拟对隧道二衬的受力和位移进行研究。

2 工程概况

某隧道工程属于连拱隧道,隧道跨度为33 m,存在一定的偏压,属于短隧道,隧道最大埋深24 m,埋深小于10 m的暗洞长度占整个暗洞的比例约为36%,属典型的浅埋隧道。

经过地质勘察,隧道区域岩土体从上至下依次为风化土、风化岩和硬岩,岩土体的物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

3 数值模拟

3.1 模型的建立

数值模拟采用MIDAS GTS,数值模拟隧道研究区域长×宽×高为430 m×340 m×180 m,因为隧道存在一定程度的偏压,为消除偏压对隧道的影响,对隧道二衬用锚杆进行支护（见图2）,本文主要研究支护后二衬的受力和位移情况。

图1 二衬和隧道的受力示意图

3.2 模型的属性

数值模拟中硬岩采用的是弹性模型,风化土和风化岩采用莫尔库仑本构模型,数值模拟中为保证计算的精确性,同时避免不必要的计算步骤,对隧道所在的风化土区域采用1 m的距离进行网格划分,风化岩和硬岩区域采用2 m进行网格划分,统一采用混合四面体网格进行划分,以保证节点力传递的有效性。数值模拟共计462026 个节点,388012个单元,模型计算至最大不平衡力变化率小于1×10-6截止。

3.3 模拟的结果

数值模拟计算结束后,选取最有代表意义二衬的水平位移、竖向位移、X方向受力和Y轴弯矩进行说明,见图2~图5。

图2 降雨强度与边坡稳定性关系图

图5 长期降雨与边坡稳定性关系图

由图2可知,因为先进行左边衬砌的施工,所以总体而言左侧水平位移大于右侧位移,但是增幅并不明显,左侧最大水平位移是6.08 mm,此区域占整个二衬的3.1%,位于二衬左上侧,右侧最大水平位移是3.35 mm,对应位于二衬右上侧,位移数值均不超过10 mm,在工程允许的范围内,满足隧道工程水平位移的要求。另一方面,隧道岩土体70%的水平位移甚至不超过4 mm,说明隧道的水平位移整体控制得较好。

由图3可知,二衬的竖向位移主要为沉降位移,仅拱顶处出现不超过5%的隆起位移,二衬左右两侧最大隆起高度分别为17.89 mm和8.89 mm,由数值可知,左右两侧拱顶处是防治的重点,75%的竖向位移为沉降位移,主要集中于拱底处,最大数值为3.3 mm,由此数值可知隧道拱底处防护措施是合理的,完全满足工程的竖向位移要求。二衬两侧竖向位移均不超过4 mm,说明二衬两侧的竖向位移控制得较好,不属于支护加固的重点。

图3 降雨类型

进一步对二衬的X方向的受力分析见图4,二衬的最大受力主要集中于拱底处,数值达到3600 kN以上,二衬左侧数值明显大于右侧,说明左侧二衬施工的重点程度高于右侧,另一方面可知,X方向的受力数值均不超过4000 kN,完全控制在工程允许的范围内,满足隧道工程的受力要求,说明二衬X方向受力控制在合理范围内,不会对隧道工程的稳定性造成不良影响。

图4 降雨类型与边坡稳定性关系图

图4对二衬X方向的受力进行了分析,在此基础上对二衬Y方向的弯矩进行分析,见图5,二衬拱顶处弯矩数值最大,左右两侧Y方向的弯矩分别达到538 kN·m和289 kN·m,由以上数值可知,左侧二衬拱顶处是防治的重点,此数据与二衬的竖向位移相对应,而此数值依然没有达到隧道工程的极限值,由竖向位移数据也可反映此结论。

图5 2460 m高程实测值及预测值对比图

二衬拱顶处约18%弯矩超过300 kN·m,说明二衬施工时必须注意锚杆的架设,以防止锚杆架设不良,造成二衬弯矩和竖向位移过大,对隧道工程造成安全隐患。

4 结论

本文结合某隧道开挖项目,进行了数值模拟的研究,研究结果表明：

（1）数值模拟隧道工程二衬水平位移和竖向位移可知,以上两种位移均控制在合理的范围内,不会对工程造成不良的影响,由竖向位移可知,隧道施工中防治的重点在拱顶处。

（2）数值模拟隧道工程二衬X方向的受力和Y方向的弯矩可知,拱顶处依然是防治的重要,因此在施工中应当注意锚杆的架设,锚杆的成功架设能够保证拱顶处受力和弯矩满足工程安全要求。

（3）本文仅从隧道二衬的位移和受力方面,对隧道的安全评估进行了一定程度的说明,没有从仰拱、地下水和地震角度开展研究,此方面的研究有待进一步深入。