電力隧道淺埋暗挖法施工地層變形二維數(shù)值模擬分析

黃方泉 張光碧 姚良學(xué) 朱迪生

（1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院 四川 成都 610065；2.成都市政工程設(shè)計(jì)研究院 四川 成都 610015）

地層變形的預(yù)測方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、模型試驗(yàn)法和理論方法，其中理論方法一般包括解析法和數(shù)值法。由于數(shù)值法具有能夠較好的模擬復(fù)雜的邊界條件、巖土介質(zhì)的特性和動(dòng)態(tài)模擬實(shí)際的施工過程等特點(diǎn)，因而在模擬復(fù)雜的地下工程中得到了廣泛的應(yīng)用。本文即采用數(shù)值法對(duì)雙慶路電力隧道淺埋暗挖法施工地層變形進(jìn)行模擬分析。

1 工程概述

雙慶路電力隧道工程位于成都市，該隧道在00+00～01+80段采用淺埋暗挖法進(jìn)行施工。本片區(qū)所處地貌為岷江水系成都平原II級(jí)階地，場地地形起伏較小。由上至下地層依次為第四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層及白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖地層，其中第四系上更新統(tǒng)沖洪積層為粘土、粉質(zhì)粘土和卵石，卵石層頂板埋藏深度7.3m～10.7m。該隧道埋深約9.0m～16.0m，開挖范圍以上覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層，開挖斷面范圍以第四系上更新統(tǒng)沖洪積層為主，粘土、粉質(zhì)粘土和卵石層為隧道持力層。開挖方式采用上下臺(tái)階預(yù)留核心土的開挖方式，并配以小導(dǎo)管注漿的超前加固措施及掛雙層鋼筋網(wǎng)、設(shè)格柵鋼拱架及噴射砼等支護(hù)措施。

2 地層變形的二維有限元數(shù)值模擬

引起地層變形的因素很多，本文僅就隧道的斷面形式、開挖方法及預(yù)加固措施對(duì)地層變形的影響進(jìn)行研究。

2.1 基本假設(shè)與參數(shù)的選取

（1）在建立模型前做了以下基本假設(shè)：

①地層為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的介質(zhì)；②巖土體及加固區(qū)材料采用D-P材料本構(gòu)模型，不考慮體積的膨脹，混凝土材料為線彈性材料；③由于為城市淺埋軟弱圍巖隧道，巖土體較破碎，故本次初始應(yīng)力場只考慮自重應(yīng)力場，不考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響；④不考慮地下水的影響；⑤模擬時(shí)只考慮初期支護(hù)的作用，二次襯砌僅作為安全儲(chǔ)備，模擬時(shí)不予考慮；⑥只考慮重力作用，不考慮地面荷載及建筑物的影響。

（2）材料參數(shù)及單元的選取

雙慶路電力隧道為Ⅴ級(jí)圍巖，以第四系上更新統(tǒng)沖洪積層為主。在ANSYS中，土體材料采用D-P準(zhǔn)則進(jìn)行模擬。采用4節(jié)點(diǎn)，Plane42二維實(shí)體單元模擬隧道圍巖，求解平面應(yīng)變問題前需將其默認(rèn)的平面應(yīng)力單元修改為平面應(yīng)變單元，采用二維彈性梁單元Beam3來模擬初期支護(hù)的混凝土。參照實(shí)際工程資料并結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70－2004)選擇材料的參數(shù)，見表1。

2.2 邊界條件和模型尺寸的確立

本次模擬隧道左右邊界均取5倍的洞室跨度，下邊界取5倍的洞高，由于埋置深度為9.0m，故上邊界取至地表。洞室跨度方向取40.0m，高度方向取39.0m，最終建模尺寸為40.0m×39.0m（寬×高）。對(duì)于建立的模型，左右邊界施加X方向的約束，下邊界施加Y方向的約束，上邊界選至地面，不施加約束。

2.3 斷面形式對(duì)隧道地層的影響分析

本文運(yùn)用ANSYS就矩形、直墻拱形、橢圓形和圓形這四種斷面形狀開挖對(duì)隧道地層變形的影響進(jìn)行模擬分析[1]～[3]。其計(jì)算結(jié)果及分析如下。

以上四種斷面形式的隧道關(guān)鍵位置的位移和應(yīng)力見表2。

結(jié)合表2，從受力和位移的角度考慮，最優(yōu)的斷面依次為圓形、橢圓形、直墻拱形、矩形。但在滿足相同凈空的條件下，圓形斷面隧道施工成本較高。雙慶路電力隧道屬于淺埋暗挖隧道，地層的應(yīng)力相對(duì)較小，主要考慮斷面形式對(duì)變形產(chǎn)生的影響。本電力隧道的尺寸為3.74m×5.22m（寬×高），屬跨度小而高度大的小斷面隧道，而橢圓形隧道一般用于跨度相對(duì)較大的大斷面隧道。直墻拱形斷面隧道施工起來相對(duì)較簡單，施工速度較快，對(duì)控制地層的沉降有利，下文的模擬即采用直墻拱形斷面形式進(jìn)行研究。軟弱圍巖隧道施工時(shí)，拱頂要做一定的預(yù)加固措施。

2.4 預(yù)注漿超前支護(hù)對(duì)隧道地層沉降的影響分析

雙慶路電力隧道為淺埋軟弱圍巖隧道，開挖前沿拱頂和上斷面環(huán)向施作L=2.5m，φ32超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距300mm，仰角5°～8°，漿液采用水泥漿。用ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)擬在拱頂和上半斷面范圍形成了厚度為2.5m的加固區(qū)。

在ANSYS中，對(duì)于超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)措施的模擬是通過提高加固區(qū)圍巖的材料參數(shù)實(shí)現(xiàn)的。在相同的埋置深度、初始地層條件和開挖方法下，通過以下幾種工況模擬隧道預(yù)加固措施對(duì)地層沉降的影響[4]～[5]：①工況一：不進(jìn)行注漿超前支護(hù)；②工況二：注漿后按提高隧道圍巖加固區(qū)參數(shù)10%考慮；③工況三：注漿后按提高隧道圍巖加固區(qū)參數(shù)20%考慮；④工況四：注漿后按提高隧道圍巖加固區(qū)參數(shù)30%考慮。其計(jì)算結(jié)果及分析如下：

（1）預(yù)注漿超前支護(hù)對(duì)拱頂沉降的影響

由數(shù)值模擬計(jì)算知：隧道開挖完成時(shí)，四種工況下產(chǎn)生的最大地層沉降均發(fā)生在開挖隧道的拱頂部位，位移分別為19.007mm、17.452mm、16.660mm、16.423mm，拱頂位移由工況一減小到工況四，分別降低了9.0%、4.53%、1.59%，地層沉降變化速率呈逐漸減小的趨勢(shì)。由上分析知，當(dāng)加固區(qū)圍巖參數(shù)提高到20%時(shí)，再通過提高預(yù)注漿的強(qiáng)度改善加固區(qū)土體的性質(zhì)，對(duì)于減小拱頂?shù)某两敌Ч巡幻黠@。

（2）預(yù)注漿超前支護(hù)對(duì)地表沉降的影響

選取地表一系列點(diǎn)為觀測點(diǎn)，讀取隧道開挖時(shí)地表觀測點(diǎn)的地表沉降值，如圖 1。

圖1 預(yù)注漿超前支護(hù)對(duì)地表沉降的影響

圖2 開挖方法對(duì)地表沉降的影響

表1 有限元計(jì)算的物理力學(xué)參數(shù)

表2 不同斷面形式隧道關(guān)鍵點(diǎn)位移與應(yīng)力比較

表3 不同開挖方法地層沉降表

由圖1知，四種工況下產(chǎn)生的最大地表沉降均發(fā)生在開挖隧道中軸線的正上方，變化規(guī)律基本符合Peck公式描述的正態(tài)曲線形式，且其值由X=0至X=+20m（-20m）逐漸減小，并關(guān)于Y軸對(duì)稱。四種工況下最大地表沉降量分別為6.82mm、6.15mm、5.90mm、5.81mm，地表沉降量由工況一減小到工況四，分別降低了8.48%、4.06%、1.53%，地表沉降變化速率呈逐漸減小的趨勢(shì)。地表最大沉降的變化趨勢(shì)跟拱頂沉降類似，當(dāng)加固區(qū)圍巖參數(shù)提高到20%時(shí)，再通過提高預(yù)注漿的強(qiáng)度改善加固區(qū)土體的性質(zhì)，對(duì)于減小地表沉降的效果已不明顯。

由此可見，單純通過提高超前支護(hù)注漿的材料強(qiáng)度來控制地層的變形是不合理的。

2.5 不同開挖方法對(duì)淺埋暗挖隧道地層變形數(shù)值模擬

淺埋暗挖常用的施工方法有：全斷面法、上下臺(tái)階法和上下臺(tái)階預(yù)留核心土法[6]～[8]。對(duì)三種施工方法采用相同的埋置深度和圍巖參數(shù)，注漿后按照提高隧道圍巖加固區(qū)參數(shù)10%考慮，三種施工方法分別對(duì)應(yīng)工況一、工況二和工況三。其計(jì)算結(jié)果及分析如下：

（1）開挖方法對(duì)拱頂沉降的影響

由數(shù)值模擬計(jì)算知，豎向最大沉降量發(fā)生在拱頂部位。各開挖方法產(chǎn)生的拱頂沉降見表3。

由表3知，全斷面法開挖產(chǎn)生的沉降量最大，上下臺(tái)階法次之，上下臺(tái)階預(yù)留核心土法產(chǎn)生的沉降量最小。對(duì)工況二、三而言：最大沉降主要發(fā)生在上臺(tái)階開挖階段，開挖的總沉降量分別為全斷面法開挖的88%、83%。

（2）開挖方法對(duì)地表沉降的影響

選取地表一系列點(diǎn)為觀測點(diǎn)，讀取隧道開挖時(shí)地表觀測點(diǎn)的地表沉降值，如圖2。

由圖2知，三種工況下產(chǎn)生的最大地表沉降均發(fā)生在隧道中軸線的正上方，變化規(guī)律基本符合Peck公式描述的正態(tài)曲線形式，且其值由X=0至X=+20m（-20m）逐漸減小，并關(guān)于Y軸對(duì)稱。三種工況下最大地表沉降量分別為 6.15mm、5.26mm、4.81mm，跟拱頂沉降的規(guī)律類似，全斷面法開挖引起的地表沉降最大，上下臺(tái)階法次之，上下臺(tái)階預(yù)留核心土法最小。

3 結(jié)語

（1）本文結(jié)合雙慶路電力隧道工程，利用ANSYS對(duì)隧道的斷面形式、預(yù)加固措施、開挖方法等因素對(duì)地層變形影響進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，為類似隧道工程設(shè)計(jì)施工提供了一定的參考。

（2）在相同的施工條件下，從對(duì)變形的影響分析，最優(yōu)的斷面形式依次為圓形、橢圓形、直墻拱形、矩形。直墻拱形斷面隧道施工對(duì)控制地層的沉降有利。

（3）提高注漿區(qū)圍巖參數(shù)能夠降低拱頂和地表的沉降量，但超過一定限度后，對(duì)于減小拱頂和地表的沉降效果已不明顯。

（4）上下臺(tái)階預(yù)留核心土法開挖引起的拱頂和地表沉降較小，表明施工時(shí)將較大的斷面劃分成小的斷面，且每步通過支護(hù)措施，均成環(huán)封閉，有益于減小地層的沉降。陜西水利

[1]趙興東，段進(jìn)超，唐春安，朱萬成.不同斷面形式隧道破壞模式研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，（7）：4921-4925.

[2]王慶國.斷面型式對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值分析 [J].鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，（6）：15-17.

[3]李浩等.斷面形狀對(duì)隧洞圍巖位移和應(yīng)力的影響分析[J].隧道建設(shè)，2009，（2）：38-45.

[4]梁波，蔣博林.不同支護(hù)措施對(duì)淺埋暗挖隧道安全性的影響[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011,（12）:1212-1216.

[5]范永慧，戴俊，李岳.小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)作用機(jī)理與效果分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2012（9）：79-82.

[6]肖翔.正臺(tái)階環(huán)形開挖法有限元模擬[J]交通科技，2011，（4）：63-65.

[7]霍潤科等.隧道臺(tái)階法施工的數(shù)值模擬與分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2011，（2）：6-9.

[8]陳雙慶.留核心土環(huán)形開挖工法在隧道設(shè)計(jì)施工中的應(yīng)用 [J].交通科技，2009，（4）：58-60.